Dreidimensionaler Druck von thermoplastischen Materialien erstellen automatisiert Spritzenpumpen mit Feedback-Kontrolle für mikrofluidische Anwendungen

Diese Methode kann dazu beitragen, die Forschung in allen Bereichen zu ermöglichen, die präzises Liquid Handling erfordern, einschließlich Molekular-, Zell- und Systembiologie, Chemieingenieurwesen und Mikrofabrikation. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass wir in der Lage sind, kostengünstige druckgeregelte Spritzenpumpen herzustellen. Diese Technik sollte in einer Vielzahl von Disziplinen Geld sparen.

Diese Technik zeigt, wie wir die additive Fertigung mit Open-Source-Elektronik koppeln können, um ein nützliches Laborinstrument herzustellen. Laden Sie zunächst die STL-Designdateien aus den ergänzenden Dateien dieser Veröffentlichung herunter. Bereiten Sie diese Dateien für den Druck vor, indem Sie sie in einem Softwarepaket öffnen, das für die Konvertierung von STL-Modelldateien in ausführbare Befehlssätze für den verwendeten 3D-Drucker vorgesehen ist.

Stellen Sie sicher, dass die richtige Software verwendet wird, da einige Drucker proprietäre Software benötigen, während andere möglicherweise direkt aus der STL-Datei drucken können. Drucken Sie nun die Kunststoffbauteile unter Verwendung von Acrylnitril-Butadien-Styrol mit einer hochwertigen 3D-Drucker-Einstellung. Wenn andere gängige 3D-Druckmaterialien wie Polymilchsäure oder andere thermoplastische Elastomere verwendet werden, stellen Sie sicher, dass die fertigen mechanischen Eigenschaften vergleichbar sind.

Wenn Sie fertig sind, lösen Sie die gedruckten Teile von der Druckplattform des 3D-Druckers. Entfernen Sie die gedruckte Stützstruktur von den fertigen Teilen. Glätten Sie die gedruckten Bauteile, indem Sie raue Kanten mit Schleifpapier abschleifen.

Die besten Ergebnisse erzielen Sie, wenn Sie Schleifpapier mit einer Körnung unter 220 verwenden. Stellen Sie sicher, dass alle Komponenten glatt sind, bevor Sie sie zusammenbauen, und stellen Sie sicher, dass alle sieben Teile gedruckt wurden. Befestigen Sie den Schrittmotor mit einer flexiblen Z-Achsen-Kupplung der Motorwelle mit Stellschrauben an einer Gewindestange.

Bevor Sie fortfahren, stellen Sie sicher, dass das Drehen der Schrittmotorwelle die Gewindestange ohne Schlupf antreibt. Verbinden Sie die Spritzenplattform mit dem Motorstecker, indem Sie die Verbindungsstifte der Spritzenplattform fest in die Gegenbohrungen oben auf dem Motorstecker drücken. Befestigen Sie die beiden Teile, indem Sie vier 16-Millimeter-Schrauben durch den Motorstecker ziehen.

Setze nun zwei Linearkugellager und eine 0,8 Millimeter Sechskantmutter in die Öffnungen ein, die sich an der Unterseite des Läuferschiebers befinden. Richten Sie die Gewindestange am Motorstecker durch die 0,8 Millimeter Sechskantmutter im Traveler Push aus. Führen Sie dann die beiden Linearwellen durch den Läuferschub in den Motorstecker ein.

Platzieren Sie nun zwei Sechskantmuttern in den Sechskant des Motorsteckerstücks und ziehen Sie dann mit zwei 16-Millimeter-Schrauben die Verbindungen fest, die die Linearwellen gegen Verrutschen sichern. Setzen Sie das Kugellager in die mittlere Öffnung des Endanschlags ein. Verbinden Sie den Endanschlag mit den montierten Komponenten.

Platzieren Sie zwei Sechskantmuttern in den Sechskant des Endanschlagstücks und ziehen Sie dann mit zwei 16-Millimeter-Schrauben die Verbindungen fest, um den Endanschlag an der Baugruppe zu befestigen. Befestigen Sie anschließend die Spritzenkolben-Buchse mit zwei Stahl-Kontermuttern und zwei 16-Millimeter-Schrauben an der Traveler-Steckdose. Legen Sie eine 10-Milliliter-Spritze auf die Oberseite der Pumpe.

Stellen Sie sicher, dass der Kopf des Kolbens in der Kerbe der Spritzenkolbenbuchse ausgerichtet ist und dass die Oberseite des Spritzenzylinders in den Schlitz des Motorsteckers eingerastet ist. Führen Sie nun das Steckerstück des Spritzenkolbens in die Spritzenkolbenbuchse ein. Verbinden Sie die Spritzenklemme mit zwei Sechskantmuttern und zwei 35-Millimeter-Schrauben mit der Spritzenplattform, um sicherzustellen, dass der Spritzenzylinder im Schlitz der Spritzenklemme fixiert ist.

Stellen Sie sicher, dass zwischen den männlichen und weiblichen Komponenten ein fester Sitz vorhanden ist, um den Kolben an Ort und Stelle zu halten. Fahren Sie mit der Vorbereitung des mikrofluidischen Geräts fort, wie im Textprotokoll beschrieben. Um mit der Montage des Spritzenpumpensystems zu beginnen, entfernen Sie mit einem Rasierer 80 % der Länge der Drahtisolierung und -abschirmung vom elektrischen Kabel des Drucksensors.

Seien Sie vorsichtig beim Schneiden, um sicherzustellen, dass die Drähte nicht über die gewünschte Länge hinaus beeinträchtigt werden. Sobald die Isolierung und Abschirmung entfernt sind, verbinden Sie die Drähte mit rechteckigen Steckern. Entfernen Sie bei einem ähnlichen Ansatz ein bis zwei Zentimeter der Drahtisolierung von den Leitungen eines Schrittmotors und verbinden Sie die Drähte mit rechteckigen Steckern.

Befestigen Sie nun die Spritze auf der Einlassseite des Drucksensors. Verbinden Sie die 22-Gauge-Dosiernadel mit der Auslassseite des Drucksensors. Schieben Sie ein Ende des Schlauchs mit einem Durchmesser von 0,51 Zentimetern über die 22-Gauge-Dosiernadel, die am Drucksensor befestigt ist.

Schieben Sie das andere Ende des Schlauchs über eine 22-Gauge-Dosiernadel, die an das mikrofluidische Gerät angeschlossen werden kann. Verbinden Sie dann die Nadel mit der Einlassöffnung des mikrofluidischen Geräts. Verbinden Sie die Auslassöffnung des mikrofluidischen Geräts mit einer 22-Gauge-Nadel und einem Schlauch mit einem Durchmesser von 0,51 Zentimetern, ähnlich dem Anschluss der Einlassöffnung, mit einem Abfallentsorgungsbehälter

Als nächstes montieren Sie die elektronische Schaltung auf einem Prototyping-Steckbrett gemäß dem Diagramm im Textprotokoll. Verbinden Sie die Drähte des Schrittmotors mit dem Schrittmotortreiber. Verbinden Sie dann die Drähte vom Drucksensor und dem Schrittmotortreiber mit dem Steckbrett.

Verbinden Sie nun das Ausgangssignal vom Breadboard mit dem analogen Eingangspin am Mikrocontroller. Verbinden Sie die Logikeingangspins vom Schrittmotortreiber mit den digitalen Pins am Mikrocontroller. Der Schritteingang am Schrittmotortreiber ist mit einem pulsweitenmodulierten Port von digitalen Pins auf dem Mikrocontroller verbunden, der durch ein Tildezeichen gekennzeichnet ist.

Schließen Sie das Netzteil an das Steckbrett an, wie im Text gezeigt. Stellen Sie dann die Stromversorgung für das Steckbrett und den Schrittmotortreiber auf 10 Volt ein. Um die Spritzendruckpumpen zu steuern, öffnen Sie zunächst die integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) für den Open-Source-Mikrocontroller.

Laden Sie die Bibliotheken Timer.h und ExcelStepper.h in das IDE-Bibliotheksverzeichnis des Mikrocontrollers herunter.

Laden Sie den Reglercode mit dem Namen Dual Pump PID Control.INO herunter. Dieser Code wird verwendet, um das rückkopplungsgesteuerte Spritzenpumpensystem mit zwei Pumpen zu steuern. Programmieren Sie den Controller-Code so, dass er zum durchgeführten Experiment passt.

Ändern Sie die Steuerparameter für die Timing-Parameter, um sie an die gewünschte Reaktion und Dauer des Experiments anzupassen. Kompilieren Sie den Code, und laden Sie ihn auf den Mikrocontroller hoch, bevor Sie das Experiment ausführen. Schalten Sie die Stromversorgung für das Spritzenpumpensystem ein.

Stellen Sie abschließend die Spannung für die Stromversorgung des Schrittmotors auf 10 Volt ein. Hier sind repräsentative Ergebnisse zu sehen, die zeigen, wie Steuerungsparameter abgestimmt werden können. Eine Modifikation der Proportionalkoeffizienten, wie hier gezeigt, führt zu unterschiedlichen Ansprechprofilen für die Drucksignale.

Die Modifikation der Integral- und Differentialkoeffizienten führt ebenfalls zu Änderungen in den Ansprechprofilen. Die Parameter können für verschiedene Versuchsdesigns optimiert werden. Hier sind repräsentative Ergebnisse gezeigt, die die Kontrolle und Modulation eines laminaren Strömungsprofils in einem mikrofluidischen Gerät zeigen.

Durch die Steuerung des Eingangsdrucks an zwei Einlassöffnungen eines Y-förmigen mikrofluidischen Geräts kann die Grenzflächenposition stromabwärts präzise gesteuert werden. Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Techniken wie Zellkultivierung und Mikroskopie durchgeführt werden, um Fragen zur regulatorischen Dynamik synthetischer Gennetzwerke, zur Zellphysiologie und zu biologischen regulatorischen Netzwerken zu beantworten. Diese Spritzenpumpensysteme haben eine schnellere Entwicklung mikrofluidischer Verfahren innerhalb unserer Laborgruppe ermöglicht.

Diese Geräte sind eine kostengünstige und zeiteffiziente Möglichkeit für Gruppen, den Durchfluss durch viele verschiedene mikrofluidische Geräte zu steuern. Wir hoffen, dass Forscher aus einem breiten Spektrum von Disziplinen in der Lage sein werden, diese druckgeregelten Spritzenpumpen für ihre mikrofluidischen Anforderungen zu nutzen und zu erweitern.