Tridimensional de la impresión de materiales termoplásticos para crear automatizado de bombas de la jeringuilla con retroalimentación de Control para aplicaciones de microfluídica

Este método puede ayudar a permitir la investigación en cualquier campo que requiera un manejo preciso de líquidos, incluida la biología molecular, celular y de sistemas, la ingeniería química y la microfabricación. La principal ventaja de este enfoque es que podemos fabricar bombas de jeringa reguladas por presión de bajo costo. Esta técnica debería ahorrar dinero en una amplia gama de disciplinas.

Esta técnica muestra cómo podemos combinar la fabricación aditiva con la electrónica de código abierto para crear una pieza útil de instrumentación de laboratorio. Para comenzar, descargue los archivos de diseño STL de los archivos complementarios de esta publicación. Prepare estos archivos para imprimirlos abriéndolos en un paquete de software dedicado a la conversión de archivos de modelos STL en conjuntos de instrucciones ejecutables para la impresora 3D que se está utilizando.

Asegúrese de que se está utilizando el software adecuado, ya que algunas impresoras requerirán software propietario, mientras que otras pueden imprimir directamente desde el archivo STL. Ahora imprime los componentes de plástico con acrilonitrilo butadieno estireno con una configuración de impresora 3D de alta calidad. Si se utilizan otros materiales de impresión 3D comunes, como ácido poliláctico u otros elastómeros termoplásticos, asegúrese de que las propiedades mecánicas del acabado sean comparables.

Una vez completado, separe las piezas impresas de la plataforma de impresión de la impresora 3D. Retire la estructura de soporte impresa de las piezas terminadas. Alisa los componentes impresos lijando los bordes ásperos con papel de lija.

Para obtener los mejores resultados, utilice papel de lija con un tamaño de grano inferior a 220. Asegúrese de que todos los componentes estén lisos antes de ensamblar y asegúrese de que las siete piezas se hayan impreso. Fije el motor paso a paso a una varilla roscada con un acoplador flexible del eje z del eje del motor con tornillos de fijación.

Antes de continuar, asegúrese de que al girar el eje del motor paso a paso se accione la varilla roscada sin deslizamiento. Conecte la plataforma de la jeringa al conector del motor presionando firmemente las clavijas de conexión de la plataforma de la jeringa en los orificios de acoplamiento en la parte superior del conector del motor. Fije las dos partes fijando cuatro tornillos de 16 milímetros a través del conector del motor.

Ahora inserte dos rodamientos de bolas lineales y una tuerca hexagonal de 0,8 milímetros en las aberturas ubicadas en la parte inferior del empuje del viajero. Alinee la varilla roscada en el conector del motor a través de la tuerca hexagonal de 0,8 milímetros en el empuje del viajero. A continuación, inserte los dos ejes lineales a través del empuje del viajero en el conector del motor.

Ahora coloque dos tuercas hexagonales en los espacios hexagonales de la pieza del conector del motor y luego use dos tornillos de 16 milímetros para apretar las conexiones que aseguran que los ejes lineales no se muevan. Inserte el rodamiento de bolas en la abertura central del tope final. Conecte el tope final con los componentes ensamblados.

Coloque dos tuercas hexagonales en los espacios hexagonales de la pieza de tope final y luego use dos tornillos de 16 milímetros para apretar las conexiones para fijar el tope final al conjunto. A continuación, fije la pieza del conector hembra del émbolo de la jeringa a la pieza de empuje del viajero con dos contratuercas de acero y dos tornillos de 16 milímetros. Coloque una jeringa de 10 mililitros en la parte superior de la bomba.

Asegúrese de que la cabeza del émbolo esté alineada en la muesca de la pieza del conector hembra del émbolo de la jeringa y que la parte superior del cilindro de la jeringa esté fijada en la ranura del conector del motor. Ahora inserte la pieza del conector macho del émbolo de la jeringa en el conector hembra del émbolo de la jeringa. Conecte la pinza de la jeringa a la plataforma de la jeringa con dos tuercas hexagonales y dos tornillos de 35 milímetros para asegurarse de que el cilindro de la jeringa esté fijado en la ranura de la pinza de la jeringa.

Asegúrese de que haya un ajuste apretado entre los componentes macho y hembra que aseguran el émbolo en su lugar. Proceda a la preparación del dispositivo microfluídico como se detalla en el protocolo de texto. Para comenzar el ensamblaje del sistema de bomba de jeringa, retire el 80% de la longitud del aislamiento y el blindaje del cable eléctrico del sensor de presión con una navaja.

Sea cuidadoso al cortar para asegurarse de que los cables no se vean comprometidos por encima de la longitud deseada. Una vez que se hayan retirado el aislamiento y el blindaje, conecte los cables a conectores rectangulares macho. Con un enfoque similar, retire uno o dos centímetros del aislamiento del cable de los cables de un motor paso a paso y conecte los cables a conectores rectangulares macho.

Ahora fije la jeringa en el lado de entrada del sensor de presión. Conecte la aguja dispensadora de calibre 22 en el lado de salida del sensor de presión. Deslice un extremo del tubo de 0,51 centímetros de diámetro sobre la aguja dispensadora de calibre 22 conectada al sensor de presión.

Deslice el otro extremo del tubo sobre una aguja dispensadora de calibre 22 que se puede conectar al dispositivo microfluídico. A continuación, conecte la aguja al puerto de entrada del dispositivo microfluídico. Conecte el puerto de salida del dispositivo microfluídico a un depósito de eliminación de residuos mediante una aguja de calibre 22 y un tubo de 0,51 centímetros de diámetro similar a la conexión del puerto de entrada.

A continuación, ensamble el circuito electrónico en una placa de pruebas de prototipos de acuerdo con el diagrama del protocolo de texto. Conecte los cables del motor paso a paso con el controlador del motor paso a paso. A continuación, conecte los cables del sensor de presión y el controlador del motor paso a paso a la placa de pruebas.

Ahora conecte la señal de salida de la placa de pruebas con el pin de entrada analógica en el microcontrolador. Conecte los pines de entrada lógica del controlador del motor paso a paso con los pines digitales del microcontrolador. La entrada de paso en el controlador del motor paso a paso está conectada con un puerto modulado por ancho de pulso de pines digitales en el microcontrolador denotado por un signo de tilde.

Conecte la fuente de alimentación a la placa de pruebas como se muestra en el texto. A continuación, ajuste la fuente de alimentación a 10 voltios para la placa de pruebas y el controlador del motor paso a paso. Para controlar las bombas de presión de jeringa, primero abra el entorno de desarrollo integrado o IDE para el microcontrolador de código abierto.

Descargue las bibliotecas Timer. h y ExcelStepper. h en el directorio de bibliotecas IDE del microcontrolador.

Descargue el código del controlador titulado Dual Pump PID Control.INO. Este código se utiliza para controlar el sistema de bomba de jeringa controlada por retroalimentación con dos bombas. Programe el código del controlador para que se ajuste al experimento que se está realizando.

Modifique los parámetros de control de los parámetros de temporización para que se ajusten a la respuesta y la duración deseadas del experimento. Compile y cargue el código en el microcontrolador antes de ejecutar el experimento. Encienda la fuente de alimentación del sistema de bomba de jeringa.

Finalmente, ajuste el voltaje a 10 voltios para la fuente de alimentación del motor paso a paso. Aquí se muestran resultados representativos que muestran cómo se pueden ajustar los parámetros de control. La modificación de los coeficientes proporcionales, como se muestra aquí, conduce a diferentes perfiles de respuesta para las señales de presión.

La modificación de los coeficientes integral y diferencial también conduce a cambios en los perfiles de respuesta. Los parámetros pueden optimizarse para diferentes diseños experimentales. Aquí se muestran resultados representativos que muestran el control y la modulación de un perfil de flujo laminar en un dispositivo microfluídico.

Al controlar la presión de entrada en dos puertos de entrada de un dispositivo microfluídico en forma de Y, la posición de la interfaz se puede controlar con precisión aguas abajo. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otras técnicas como el cultivo celular y la microscopía para responder preguntas relacionadas con la dinámica reguladora de redes de genes sintéticos, la fisiología celular y las redes reguladoras biológicas. Estos sistemas de bombeo de jeringa han permitido un desarrollo más rápido de procedimientos microfluídicos dentro de nuestro grupo de laboratorio.

Estos dispositivos son una forma económica y eficiente en el tiempo para que los grupos controlen el flujo a través de muchos dispositivos microfluídicos diferentes. Esperamos que los investigadores de una amplia gama de disciplinas puedan utilizar y ampliar estas bombas de jeringa reguladas por presión para sus necesidades microfluídicas.