Biostampante a basso costo: 13 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Siamo un team di ricerca guidato da studenti universitari alla UC Davis. Facciamo parte di BioInnovation Group, che opera nel TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab (Advisers Dr. Marc Facciotti e Andrew Yao, M. S.). Il laboratorio riunisce studenti di diversa estrazione per lavorare su questo progetto (ingegneria meccanica/chimica/biomed).

Un po' di background su questo progetto è che abbiamo iniziato a stampare cellule di riso transgeniche in collaborazione con la dott.ssa Karen McDonald del dipartimento ChemE con l'obiettivo di sviluppare una biostampante a basso costo per rendere la biostampa più accessibile agli istituti di ricerca. Attualmente, le biostampanti di fascia bassa costano circa $ 10.000 mentre le biostampanti di fascia alta costano circa $ 170.000. Al contrario, la nostra stampante può essere costruita per circa $ 375.

Forniture

Parti:

1. Rampe 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Driver per motori passo-passo:
4. Motore passo-passo aggiuntivo (opzionale)
5. Trave Maker 2 in X 1 in
6. Hardware per il collegamento del raggio del creatore
7. Viti M3 misure assortite
8. Dadi M3 x2
9. Barra filettata da 8 mm
10. dado da 8 mm
11. 608 cuscinetto
12. Raccoglitore di clip
13. Filamento
14. Monoprice V2
15. Fascette
16. Dadi termoregolabili M3 larghezza 2 mm

Utensili:

1. Punte da trapano di varie dimensioni
2. Trapano a mano
3. Trapano
4. seghetto
5. Saldatore + saldatura
6. Spelafili
7. Pinze ago
8. Chiavi esagonali varie dimensioni

Forniture di laboratorio:

1. Piastre Petri ~70mm di diametro
2. Siringa da 60 ml con punta Luer-lock
3. Siringa da 10 ml con punta Luer-lock
4. Raccordi Luer-lock
5. Tubi per raccordi
6. Connettore a T per tubi
7. Centrifuga
8. Provette da centrifuga 60ml
9. Scala
10. Pesa barche
11. Autoclave
12. bicchieri
13. Cilindro graduato
14. Soluzione 0,1 M CaCl2
15. agarosio
16. alginato
17. Metilcellulosa
18. Saccarosio

Software:

1. Fusion 360 o Solidworks
2. Arduino IDE
3. Ospite ripetitore
4. Ultimaker Cura 4

Passaggio 1: selezione di una stampante 3D

Abbiamo scelto la Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 come stampante 3D di partenza. Questa stampante è stata scelta per il suo basso costo e l'elevata disponibilità. Inoltre, era già disponibile un modello 3D altamente accurato della stampante che ha reso più semplice la progettazione. Questa istruzione sarà adattata per questa stampante specifica, ma un processo simile può essere utilizzato per convertire altre comuni stampanti FDM e macchine CNC.

Modello ad alta precisione:

Passaggio 2: stampa 3D

Prima dello smontaggio della stampante Monoprice, è necessario stampare in 3D diverse parti per la modifica della stampante 3D. Esistono versioni degli estrusori di pasta, una che richiede resina epossidica e una che non lo fa. Quello che richiede la resina epossidica è più compatto ma più difficile da montare.

Passaggio 3: preparare la stampante per la modifica

Il pannello anteriore della torre, il coperchio inferiore e il pannello di controllo devono essere rimossi. Una volta rimosso il fondo, scollegare tutta l'elettronica dalla scheda di controllo e rimuovere la scheda di controllo.

Passaggio 4: supporto intercambiabile

Il corpo 1 e il corpo 14 richiedono ciascuno due dadi di termoregolazione. Il corpo 1 è montato sul telaio della stampante tramite i due bulloni M3 nascosti sotto la cintura. I bulloni possono essere scoperti rimuovendo il tendicinghia e tirando la cintura da un lato.

Passaggio 5: interruttore dell'asse Z

L'interruttore dell'asse Z viene riposizionato in modo che l'ago di qualsiasi lunghezza possa essere utilizzato durante la sequenza di homing senza compensare nel software. L'interruttore deve essere montato con 2 viti M3 sul telaio della stampante direttamente sotto la testina di stampa il più vicino possibile al piano di stampa.

Passaggio 6: cablaggio

Il cablaggio viene eseguito secondo gli standard Ramps 1.4. Segui semplicemente lo schema elettrico. Tagliare e stagnare i fili secondo necessità per le morsettiere. Potrebbe essere necessario prolungare alcuni cavi.

Passaggio 7: estrusore epossidico

Sebbene questo estrusore richieda meno tempo per la stampa, utilizza la resina epossidica che aumenta il tempo di costruzione totale a oltre 24 ore. L'asta filettata da 8 mm deve essere epossidica al cuscinetto 608 e il cuscinetto deve essere epossidico al pezzo stampato in 3D Corpo 21. Inoltre, il dado per l'asta filettata deve essere epossidico al corpo 40. Una volta che la resina epossidica è stata completamente polimerizzata, la gomma le punte degli stantuffi delle siringhe da 60 ml e 10 ml possono essere montate rispettivamente su Body 9 e Body 21. Non è stato possibile trovare un raccordo a T appropriato, quindi ne è stato realizzato uno grezzo con tubi di ottone da 6 mm e saldatura. L'estrusore funge da sistema idraulico che spinge il Bioink fuori dalla camera inferiore della siringa da 10 ml. L'aria può essere evacuata dal sistema agitando vigorosamente i tubi mentre si tiene il raccordo a T nel punto più alto.

Passaggio 8: estrusore per pasta normale

Questo estrusore può essere semplicemente imbullonato insieme. Lo svantaggio di questo estrusore è che è più ingombrante e ha un gioco elevato.

Passaggio 9: Passaggio 9: firmware Arduino

L'Arduino ha bisogno del firmware per eseguire i driver stepper e altri componenti elettronici. Abbiamo scelto Marlin perché è gratuito, facilmente modificabile con Arduino IDE e ben supportato. Abbiamo modificato il firmware per il nostro hardware specifico, ma è abbastanza semplice modificarlo per altre stampanti perché tutto il codice è commentato e spiegato chiaramente. Fare doppio clic sul file MonopriceV2BioprinterFirmware.ino per aprire i file di configurazione di marlin.

Passaggio 10: profilo Cura

Il profilo Cura può essere importato in Ultimaker Cura 4.0.0 e utilizzato per creare mesh ad alta superficie da utilizzare in un reattore a profusione. La generazione di Gcode per la stampante è ancora altamente sperimentale e richiede molta pazienza. Inoltre è allegato un gcode di prova per un reattore a profusione circolare.

Passaggio 11: modifica del codice G iniziale

Incolla questo codice nell'impostazione del codice G iniziale:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

In Repetier, per modificare il Gcode iniziale andare su slicer->Configuration->G-codes->start G-codes. È necessario modificare il valore di G92 Z per ogni caso particolare. Aumentare lentamente il valore fino a quando l'ago si trova alla distanza desiderata dalla superficie della piastra Petri all'inizio della stampa.

Passaggio 12: creare il Bioink

Il processo per sviluppare un Bioink adatto a un'applicazione è complesso. Questo è il processo che abbiamo seguito:

Riepilogo

L'idrogel è adatto per cellule vegetali sensibili al taglio e ha macropori aperti per consentire la diffusione. L'idrogel viene prodotto sciogliendo agarosio, alginato, metilcellulosa e saccarosio in acqua deionizzata e aggiungendo cellule. Il gel è viscoso fino a quando non viene polimerizzato con cloruro di calcio 0,1 M, che lo rende robusto. La soluzione di polimerizzazione del cloruro di calcio reticola con l'alginato per renderlo robusto. L'alginato è la base del gel, la metilcellulosa omogeneizza il gel e l'agarosio fornisce più struttura poiché gelifica a temperatura ambiente. Il saccarosio fornisce cibo alle cellule per continuare a crescere nell'idrogel.

Una breve panoramica di alcuni degli esperimenti per verificare il gel

Abbiamo testato diversi idrogel con quantità variabili di agarosio e registrato la sua consistenza, la facilità con cui si stampava e se affondava o galleggiava nella soluzione di polimerizzazione. La diminuzione della percentuale di alginato rendeva il gel troppo liquido e non riusciva a mantenere la sua forma dopo la stampa. L'aumento della percentuale di alginato ha fatto sì che la soluzione di polimerizzazione funzionasse così rapidamente che il gel si sarebbe asciugato prima di aderire allo strato superiore. Un idrogel che mantiene la sua forma e non polimerizza troppo rapidamente è stato sviluppato utilizzando il 2,8% in peso di alginato.

Come sviluppare un idrogel

Materiali

Agarosio (0,9 % in peso)

Alginato (2,8 % in peso)

Metilcellulosa (3,0% in peso)

Saccarosio (3,0% in peso)

Cloruro di calcio.1M (147.001 g/mol)

ggH20

aggregati cellulari

2 bicchieri lavati e asciugati

1 spatola per mescolare

Foglio di alluminio

Carta per pesare in plastica

Cilindro graduato

Procedura

Fare l'idrogel:

1. Misura una quantità specifica di ddH20 in base a quanta soluzione gel vuoi preparare. Utilizzare il cilindro graduato per ottenere un volume specifico di ddH20.
2. La soluzione di idrogel conterrà alginato (2,8 wt %), agarosio (0,9 wt %), saccarosio (3 wt) e metilcellulosa (3 wt%). Le porzioni appropriate dei componenti della soluzione di idrogel saranno misurate utilizzando la carta da peso in plastica.
3. Quando hai finito di pesare tutti i componenti, aggiungi ddh20, saccarosio, agarosio e infine alginato di sodio in uno dei becher asciutti. Agitare per mescolare ma non usare una spatola per mescolare perché la polvere si attaccherà alla spatola.
4. Una volta mescolato, avvolgere adeguatamente la parte superiore del bicchiere con un foglio di alluminio ed etichettare il bicchiere. Aggiungi un pezzo di nastro adesivo per autoclave sulla parte superiore del foglio.
5. Metti la metilcellulosa rimanente nell'altro bicchiere asciutto e avvolgilo in un foglio di alluminio come il bicchiere precedente. Etichetta questo bicchiere e aggiungi un pezzo di nastro adesivo per autoclave sulla parte superiore del foglio.
6. Avvolgere 1 spatola in un foglio di alluminio e assicurarsi che non sia esposta. Aggiungi del nastro adesivo per autoclave alla spatola avvolta.
7. Autoclavare i 2 becher e 1 spatola a 121 C per 20 minuti durante il ciclo di sterilizzazione. NON UTILIZZARE L'AUTOCLAVE IN UN CICLO STERILE E A SECCO.
8. Una volta completato il ciclo dell'autoclave, lasciare che il gel si raffreddi a temperatura ambiente e una volta raggiunta, iniziare ad operare nella Cabina di Sicurezza Biologica.
9. Assicurati di lavarti le mani e le braccia e di utilizzare una tecnica asettica adeguata una volta operato nell'armadio di biosicurezza. ASSICURATI inoltre di non entrare in contatto diretto con oggetti che toccheranno il gel o saranno vicini al gel (es: l'estremità di miscelazione della spatola o la regione dei fogli di alluminio che si trova sopra il gel)
10. Nell'armadietto di biosicurezza mescolare la metilcellulosa nel gel per ottenere una diffusione omogenea. Una volta completata la miscelazione, avvolgere nuovamente la parte superiore della soluzione di gel miscelata e riporla in frigorifero per una notte.
11. Da qui il gel può essere utilizzato per l'introduzione delle cellule o per altri usi come la stampa.

Aggiunta delle celle:

1. Filtra le celle in modo che abbiano le stesse dimensioni. La nostra procedura per il filtraggio è

   Raschiare leggermente le cellule dalla capsula di Petri e utilizzare un setaccio da 380 micrometri per filtrare le cellule.

2. Mescolare delicatamente le cellule filtrate nella soluzione di idrogel utilizzando una spatola a testa piatta per evitare la perdita della miscela (che sono state autoclavate).
3. Dopo aver miscelato le cellule, centrifugare le bolle
4. Da qui l'idrogel è completo e può essere utilizzato per la stampa, la polimerizzazione e futuri esperimenti.

Come sviluppare la soluzione di polimerizzazione (0,1 M Cloruro di calcio, CaCl2)

Materiali

Cloruro di calcio

ggH20

Saccarosio (3 % in peso)

Procedura (per preparare una soluzione di polimerizzazione da 1 litro)

1. Misurare 147,01 g di cloruro di calcio, 30 ml di saccarosio e 1 l di ddH20.
2. Mescolare cloruro di calcio, saccarosio e ddH20 in un grande bicchiere o contenitore.
3. Immergere il gel nella soluzione di polimerizzazione per almeno 10 minuti per polimerizzare.

Passaggio 13: stampa

In teoria, il Bioprinting è estremamente semplice; tuttavia, in pratica, ci sono molti fattori che possono causare guasti. Con questo gel, abbiamo scoperto che si possono fare diverse cose per massimizzare il successo della nostra applicazione:

1. Utilizzare piccole quantità di soluzione di CaCl2 per polimerizzare parzialmente il gel durante la stampa,
2. Usa un tovagliolo di carta sul fondo della capsula di Petri per aumentare l'adesione
3. Usa un tovagliolo di carta per distribuire uniformemente piccole quantità di CaCl2 su tutta la stampa
4. usa il cursore della portata in Repetier per trovare la portata corretta

Per diverse applicazioni e diversi gel, potrebbe essere necessario utilizzare tecniche diverse. La nostra procedura è stata generata nel corso di diversi mesi. La pazienza è la chiave.

Buona fortuna se tenti questo progetto e sentiti libero di fare qualsiasi domanda.

Primo Premio al Concorso Arduino 2019