ثلاثي الأبعاد طباعة المواد الحرارية لخلق الآلي المحاقن مضخات مع مراقبة التغذية المرتدة للتطبيقات موائع جزيئية
أغسطس 30, 2018
نقدم هنا بروتوكولا لبناء مضخة حقنه تسيطر عليها ضغط لاستخدامها في تطبيقات موائع جزيئية. هذه المضخة محقنة مصنوعة من الجسم ثنائيو المصنعة والأجهزة الجاهزة والإلكترونيات مفتوحة المصدر. النظام الناتجة منخفضة التكلفة، ومباشرة لبناء، ويسلم تدفق السائل جيد التنظيم لتمكين البحث السريع موائع جزيئية.
يمكن أن تساعد هذه الطريقة في تمكين البحث في أي مجال يتطلب معالجة دقيقة للسوائل بما في ذلك بيولوجيا الجزيئات والخلايا والأنظمة والهندسة الكيميائية والتصنيع الدقيق. الميزة الرئيسية لهذا النهج هي أننا قادرون على تصنيع مضخات حقنة منخفضة التكلفة منظمة للضغط. يجب أن توفر هذه التقنية المال عبر مجموعة واسعة من التخصصات.
توضح هذه التقنية كيف يمكننا الجمع بين التصنيع الإضافي والإلكترونيات مفتوحة المصدر لصنع قطعة مفيدة من أجهزة المختبر. للبدء، قم بتنزيل ملفات تصميم STL من الملفات التكميلية لهذا المنشور. قم بإعداد هذه الملفات للطباعة عن طريق فتحها في حزمة برامج مخصصة لتحويل ملفات نموذج STL إلى مجموعات تعليمات قابلة للتنفيذ للطابعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة.
تأكد من استخدام البرنامج المناسب لأن بعض الطابعات تتطلب برامج احتكارية بينما قد يتمكن البعض الآخر من الطباعة مباشرة من ملف STL. الآن طباعة المكونات البلاستيكية باستخدام أكريلونيتريل بوتادين ستايرين مع إعداد طابعة ثلاثية الأبعاد عالية الجودة. إذا تم استخدام مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة الأخرى مثل حمض البولي لاكتيك أو غيرها من اللدائن البلاستيكية الحرارية ، فتأكد من أن الخصائص الميكانيكية النهائية قابلة للمقارنة.
بمجرد الانتهاء ، افصل الأجزاء المطبوعة عن منصة الطباعة للطابعة ثلاثية الأبعاد. قم بإزالة الهيكل الداعم المطبوع من الأجزاء النهائية. قم بتنعيم المكونات المطبوعة عن طريق صنفرة أي حواف خشنة باستخدام ورق الصنفرة.
للحصول على أفضل النتائج ، استخدم ورق الصنفرة بحجم حبيبات أقل من 220. تأكد من أن جميع المكونات ناعمة قبل التجميع وتأكد من طباعة جميع الأجزاء السبعة. اربط محرك السائر بقضيب ملولب باستخدام قارنة توصيل مرنة ذات محور z لعمود المحرك مع براغي مثبتة.
قبل المتابعة ، تأكد من أن تدوير عمود المحرك السائر يقود القضيب الملولب دون انزلاق. قم بتوصيل منصة الحقنة بموصل المحرك عن طريق الضغط بقوة على أوتاد توصيل منصة الحقنة في فتحات التزاوج أعلى موصل المحرك. قم بتوصيل الجزأين عن طريق تثبيت أربعة براغي مقاس 16 ملم من خلال موصل المحرك.
الآن أدخل محامل كروية خطية وصمولة سداسية 0.8 ملم في الفتحات الموجودة في الجزء السفلي من دفعة المسافر. قم بمحاذاة القضيب الملولب على موصل المحرك من خلال الجوز السداسي 0.8 ملم في دفع المسافر. ثم أدخل العمودين الخطيين من خلال دفع المسافر في موصل المحرك.
الآن ضع صواميل سداسية في المساحات السداسية لقطعة موصل المحرك ثم استخدم براغي 16 ملم لتشديد التوصيلات التي تؤمن الأعمدة الخطية من الحركة. أدخل المحمل الكروي في الفتحة الوسطى للتوقف النهائي. قم بتوصيل المحطة النهائية بالمكونات المجمعة.
ضع صواميل سداسية في الفراغات السداسية لقطعة التوقف الطرفية ثم استخدم براغي مقاس 16 ملم لتشديد التوصيلات لتثبيت نقطة النهاية على التجميع. بعد ذلك ، قم بتوصيل قطعة موصل أنثى مكبس المحقنة بقطعة دفع المسافر باستخدام اثنين من صواميل القفل الفولاذية واثنين من البراغي 16 ملم. ضع حقنة 10 ملليلتر في الجزء العلوي من المضخة.
تأكد من محاذاة رأس المكبس في شق قطعة الموصل الأنثوية لمكبس المحقنة وأن الجزء العلوي من برميل المحقنة مثبت في فتحة موصل المحرك. الآن أدخل قطعة موصل ذكر المكبس المحقنة في موصل أنثى مكبس المحقنة. قم بتوصيل مشبك المحقنة بمنصة الحقنة باستخدام صواميل سداسية واثنين من المسمارين مقاس 35 ملم لضمان تثبيت برميل المحقنة في فتحة مشبك المحقنة.
تأكد من وجود توافق محكم بين المكونات الذكرية والأنثوية التي تثبت المكبس في مكانه. انتقل إلى إعداد جهاز الموائع الدقيقة كما هو مفصل في بروتوكول النص. لبدء تجميع نظام مضخة الحقنة ، قم بإزالة 80٪ من طول عزل السلك والتدريع من الكابل الكهربائي لمستشعر الضغط باستخدام ماكينة حلاقة.
كن لطيفا عند القطع لضمان عدم اختراق الأسلاك فوق الطول المطلوب. بمجرد إزالة العزل والتدريع ، قم بتوصيل الأسلاك بموصلات مستطيلة من الذكور. باستخدام طريقة مماثلة ، قم بإزالة سنتيمتر إلى سنتيمترين من عزل السلك من أسلاك محرك السائر وقم بتوصيل الأسلاك بموصلات مستطيلة من الذكور.
الآن قم بتثبيت المحقنة على جانب مدخل مستشعر الضغط. قم بتوصيل إبرة الاستغناء قياس 22 على جانب مخرج مستشعر الضغط. حرك أحد طرفي الأنبوب الذي يبلغ قطره 0.51 سم فوق إبرة الاستغناء قياس 22 المتصلة بمستشعر الضغط.
حرك الطرف الآخر من الأنبوب فوق إبرة توزيع قياس 22 يمكن توصيلها بجهاز الموائع الدقيقة. ثم قم بتوصيل الإبرة بمنفذ مدخل جهاز الموائع الدقيقة. قم بتوصيل منفذ مخرج جهاز الموائع الدقيقة بخزان التخلص من النفايات باستخدام إبرة قياس 22 وأنبوب قطره 0.51 سم مشابه لوصلة منفذ المدخل.
بعد ذلك ، قم بتجميع الدائرة الإلكترونية على لوح تجارب النماذج الأولية وفقا للرسم البياني الموجود في بروتوكول النص. قم بتوصيل الأسلاك من محرك السائر بمحرك السائر بمحرك السائر ثم قم بتوصيل الأسلاك من مستشعر الضغط وسائق محرك السائر بلوح التجارب.
الآن قم بتوصيل إشارة الإخراج من اللوح باستخدام دبوس الإدخال التناظري على وحدة التحكم الدقيقة. قم بتوصيل دبابيس الإدخال المنطقي من مشغل محرك السائر بالدبابيس الرقمية الموجودة على وحدة التحكم الدقيقة. يتم توصيل إدخال الخطوة على محرك السائر بمنفذ معدل بعرض النبضة من المسامير الرقمية على المتحكم الدقيق المشار إليه بعلامة التلدة.
قم بتوصيل مصدر الطاقة باللوحة كما هو موضح في النص. ثم اضبط مصدر الطاقة على 10 فولت للوح التجارب وسائق محرك السائر للتحكم في مضخات ضغط الحقنة ، افتح أولا بيئة التطوير المتكاملة أو IDE للمتحكم الدقيق مفتوح المصدر.
قم بتنزيل مكتبات Timer. h و ExcelStepper. h إلى دليل مكتبة IDE الخاص بوحدة التحكم الدقيقة.
قم بتنزيل رمز وحدة التحكم بعنوان Dual Pump PID Control.INO. يستخدم هذا الرمز للتحكم في نظام مضخة الحقنة التي يتم التحكم فيها عن طريق التغذية المرتدة بمضختين. قم ببرمجة التعليمات البرمجية لوحدة التحكم بحيث تناسب التجربة التي يتم إجراؤها.
قم بتعديل معلمات التحكم لمعلمات التوقيت لتناسب الاستجابة المطلوبة ومدة التجربة. قم بتجميع التعليمات البرمجية وتحميلها إلى المتحكم الدقيق قبل تشغيل التجربة. قم بتشغيل مصدر الطاقة لنظام مضخة الحقنة.
أخيرا ، اضبط الجهد على 10 فولت لمصدر طاقة محرك السائر تظهر هنا نتائج تمثيلية توضح كيفية ضبط معلمات التحكم. يؤدي تعديل المعاملات النسبية كما هو موضح هنا إلى ملفات تعريف استجابة مختلفة لإشارات الضغط.
يؤديتعديل المعاملات التكاملية والتفاضلية أيضا إلى تغييرات في ملفات تعريف الاستجابة. يمكن تحسين المعلمات لتصميمات تجريبية مختلفة. تظهر هنا نتائج تمثيلية توضح التحكم في ملف تعريف التدفق الصفحي وتعديله في جهاز ميكروفيليديك.
من خلال التحكم في ضغط المدخل عند منفذي مدخل لجهاز ميكروفلويدي على شكل حرف Y ، يمكن التحكم بدقة في موضع الواجهة في اتجاه مجرى النهر. باتباع هذا الإجراء ، يمكن إجراء تقنيات أخرى مثل زراعة الخلايا والفحص المجهري من أجل الإجابة على الأسئلة المتعلقة بالديناميكيات التنظيمية لشبكة الجينات الاصطناعية وفسيولوجيا الخلية والشبكات التنظيمية البيولوجية. مكنت أنظمة مضخات الحقن هذه من تطوير إجراءات الموائع الدقيقة بشكل أسرع داخل مجموعة المختبرات لدينا.
هذه الأجهزة هي طريقة غير مكلفة وفعالة من حيث الوقت للمجموعات للتحكم في التدفق عبر العديد من أجهزة الموائع الدقيقة المختلفة. نأمل أن يتمكن الباحثون عبر مجموعة واسعة من التخصصات من استخدام وتوسيع مضخات الحقن المنظمة بالضغط لتلبية احتياجاتهم من الموائع الدقيقة.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه المقالة بروتوكولًا لبناء مضخة حقنة مضبوطة الضغط لتطبيقات الميكروهيدروديناميكية. تم تصنيع المضخة من جسم مصنع بشكل تدريجي، وأجهزة جاهزة، وإلكترونيات مفتوحة المصدر، مما يجعلها منخفضة التكلفة وسهلة البناء.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الميكروهيدروديناميكية
- التصنيع التدريجي
- الإلكترونيات مفتوحة المصدر
الخلفية
- تعد المناولة الدقيقة للسوائل أساسية في مختلف المجالات العلمية.
- يمكن أن تسهل الأدوات منخفضة التكلفة البحث عبر التخصصات.
- يمكن اقتران التصنيع التدريجي بالإلكترونيات لحلول مبتكرة.
- يمكن أن توفر هذه التقنية التكاليف في إعدادات المختبرات.
هدف الدراسة
- تطوير مضخة حقنة منخفضة التكلفة ومضبوطة الضغط.
- لتمكين الدقة في مناولة السوائل لأبحاث الميكروهيدروديناميكية.
- لعرض دمج التصنيع التدريجي والتكنولوجيا مفتوحة المصدر.
الطرق المستخدمة
- تصميم مضخة الحقنة باستخدام ملفات STL.
- إعداد الملفات للطباعة ثلاثية الأبعاد.
- استخدام مكونات الأجهزة الجاهزة.
- تنفيذ إلكترونيات مفتوحة المصدر للتحكم.
النتائج الرئيسية
- تقوم مضخة الحقنة التي تم إنشاؤها بتوصيل تدفق سائل منظم جيدًا.
- النظام سهل البناء ومنخفض التكلفة.
- يمكن تطبيقه في مختلف المجالات التي تتطلب مناولة دقيق للسوائل.
- يظهر النهج استخدامًا فعالًا لتقنيات التصنيع الحديثة.
الاستنتاجات
- يمكن لهذه الطريقة تقليل التكاليف بشكل كبير في البحوث المختبرية.
- دمج التصنيع التدريجي والإلكترونيات مفتوحة المصدر مفيد.
- تعتبر مضخة الحقنة أداة قيمة لتطبيقات الميكروهيدروديناميكية.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
Low-cost, feedback-controlled syringe pumps enable precise fluid handling in microfluidic systems, reducing barriers to entry for discovery-stage research. This approach supports target validation and assay development by providing reproducible pressure regulation critical for microfluidic-based phenotypic screening and mechanistic de-risking. The integration of additive manufacturing with open-source electronics offers a scalable, reusable platform for early discovery workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise control of microfluidic microenvironment.
- Operational Value: Supports biological de-risking by delivering stable inlet pressure for consistent cellular or molecular readouts.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated fluidic systems for downstream compound evaluation with reliable flow control.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility through feedback-regulated pressure output.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Maintains disease-relevant system continuity by enabling controlled perfusion in microfluidic disease models.
- Operational Value: Facilitates translational biomarker alignment via stable, tunable inlet pressure conditions.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology by enabling hypothesis testing via microfluidic perfusion, supports screening through assay-ready fluidic platforms, and provides quantitative pressure readouts for analytical decision-making.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification and biological de-risking via controlled microfluidic environments.
- Screening: Delivers assay readiness through reproducible, pressure-regulated fluid handling.
- Analytics: Provides quantitative pressure measurements via integrated transducer for condition comparison.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable, low-cost platform adaptable across multiple microfluidic applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence through precise, feedback-controlled inlet pressure regulation.
- Operational Value: Standardization and scalability via 3D-printed components and open-source control.
- Strategic Value: Reduced late-stage biological risk by enabling early, mechanistic de-risking in microfluidic models.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization through reliable, quantitative fluid handling data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D printing, electronics assembly, and microfluidic system integration.
- Needs access to thermoplastic 3D printers, pressure transducers, stepper motors, and microcontroller platforms.
- Demands cross-team standardization for consistent part fabrication and calibration.
- Involves adaptation considerations when scaling to different microfluidic device geometries or flow requirements.
- Limited by mechanical properties of printed thermoplastics under prolonged operational stress.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:38
Prepare and 3D-print the Syringe Pump Components
1:57
Assemble the Syringe Pump
4:21
Feedback-Controlled Syringe Pump System Assembly
6:38
Controlling Syringe Pressure Pumps
7:37
Results: Tuning of Control Parameters and Control of Inlet Pressure for a Laminar Flow Microfluidic Device
8:23
Conclusion
