En trois dimensions d’impression de matériaux thermoplastiques pour créer automatisé pompes à seringue avec commande de rétroaction pour des Applications de microfluidique

Cette méthode peut aider à la recherche dans n’importe quel domaine nécessitant une manipulation précise des liquides, y compris la biologie moléculaire, cellulaire et des systèmes, le génie chimique et la microfabrication. Le principal avantage de cette approche est que nous sommes en mesure de fabriquer des pousse-seringues à pression régulée à faible coût. Cette technique devrait permettre d’économiser de l’argent dans un large éventail de disciplines.

Cette technique montre comment nous pouvons coupler la fabrication additive avec l’électronique open source pour créer une pièce utile d’instrumentation de laboratoire. Pour commencer, téléchargez les fichiers de conception STL à partir des fichiers supplémentaires de cette publication. Préparez ces fichiers pour l’impression en les ouvrant dans un progiciel dédié à la conversion des fichiers de modèles STL en jeux d’instructions exécutables pour l’imprimante 3D utilisée.

Assurez-vous d’utiliser le logiciel approprié, car certaines imprimantes nécessitent un logiciel propriétaire, tandis que d’autres peuvent être en mesure d’imprimer directement à partir du fichier STL. Imprimez maintenant les composants en plastique à l’aide d’acrylonitrile butadiène styrène avec un réglage d’imprimante 3D de haute qualité. Si d’autres matériaux d’impression 3D courants sont utilisés, tels que l’acide polylactique ou d’autres élastomères thermoplastiques, assurez-vous que les propriétés mécaniques finies sont comparables.

Une fois terminé, détachez les pièces imprimées de la plate-forme d’impression de l’imprimante 3D. Retirez la structure de support imprimée des pièces finies. Lissez les composants imprimés en ponçant les bords rugueux à l’aide de papier de verre.

Pour de meilleurs résultats, utilisez du papier de verre dont le grain est inférieur à 220. Assurez-vous que tous les composants sont lisses avant l’assemblage et assurez-vous que les sept pièces ont été imprimées. Fixez le moteur pas à pas à une tige filetée à l’aide d’un coupleur flexible d’axe z d’arbre de moteur avec vis de réglage.

Avant de continuer, assurez-vous que la rotation de l’arbre du moteur pas à pas entraîne la tige filetée sans glissement. Connectez la plate-forme de la seringue au connecteur du moteur en appuyant fermement sur les chevilles de connexion de la plate-forme de la seringue dans les trous d’accouplement situés sur le dessus du connecteur du moteur. Fixez les deux parties en fixant quatre vis de 16 millimètres à travers le connecteur du moteur.

Insérez maintenant deux roulements à billes linéaires et un écrou hexagonal de 0,8 millimètre dans les ouvertures situées au bas de la poussée du voyageur. Alignez la tige filetée sur le connecteur du moteur à travers l’écrou hexagonal de 0,8 millimètre dans la poussée du voyageur. Insérez ensuite les deux arbres linéaires dans la poussée du voyageur dans le connecteur du moteur.

Placez maintenant deux écrous hexagonaux dans les espaces hexagonaux de la pièce de connecteur du moteur, puis utilisez deux vis de 16 millimètres pour serrer les connexions empêchant les arbres linéaires de bouger. Insérez le roulement à billes dans l’ouverture centrale de la butée. Connectez la butée avec les composants assemblés.

Placez deux écrous hexagonaux dans les espaces hexagonaux de la butée, puis utilisez deux vis de 16 millimètres pour serrer les connexions afin de fixer la butée à l’ensemble. Ensuite, fixez la pièce de connecteur femelle du piston de la seringue à la pièce de poussée du voyageur à l’aide de deux contre-écrous en acier et de deux vis de 16 millimètres. Placez une seringue de 10 millilitres sur le dessus de la pompe.

Assurez-vous que la tête du piston est alignée dans l’encoche du connecteur femelle du piston de la seringue et que le haut du corps de la seringue est fixé dans la fente du connecteur du moteur. Insérez maintenant la pièce de connecteur mâle du piston de seringue dans le connecteur femelle du piston de seringue. Connectez la pince de seringue à la plate-forme de la seringue à l’aide de deux écrous hexagonaux et de deux vis de 35 millimètres, en veillant à ce que le corps de la seringue soit fixé dans la fente de la pince de seringue.

Assurez-vous qu’il y a un ajustement serré entre les composants mâle et femelle qui maintiennent le piston en place. Procéder à la préparation du dispositif microfluidique comme indiqué dans le protocole texte. Pour commencer l’assemblage du système de pompe à seringue, retirez 80 % de la longueur de l’isolant du fil et du blindage du câble électrique du capteur de pression à l’aide d’un rasoir.

Soyez doux lors de la coupe pour vous assurer que les fils ne sont pas compromis au-delà de la longueur souhaitée. Une fois l’isolation et le blindage retirés, connectez les fils à des connecteurs rectangulaires mâles. En utilisant une approche similaire, retirez un à deux centimètres de l’isolation du fil des fils d’un moteur pas à pas et connectez les fils à des connecteurs rectangulaires mâles.

Fixez maintenant la seringue sur le côté entrée du capteur de pression. Connectez l’aiguille de distribution du calibre 22 sur le côté sortie du capteur de pression. Faites glisser une extrémité d’un tube de 0,51 centimètre de diamètre sur l’aiguille de distribution de calibre 22 fixée au capteur de pression.

Faites glisser l’autre extrémité du tube sur une aiguille de distribution de calibre 22 qui peut être connectée au dispositif microfluidique. Connectez ensuite l’aiguille à l’orifice d’entrée du dispositif microfluidique. Connectez l’orifice de sortie du dispositif microfluidique à un réservoir d’élimination des déchets à l’aide d’une aiguille de calibre 22 et d’un tube de 0,51 centimètre de diamètre similaire à la connexion de l’orifice d’entrée.

Ensuite, assemblez le circuit électronique sur une plaque d’essai de prototypage selon le schéma du protocole texte. Connectez les fils du moteur pas à pas avec le pilote de moteur pas à pas. Connectez ensuite les fils du capteur de pression et du pilote de moteur pas à pas à la planche d’essai.

Connectez maintenant le signal de sortie de la plaque d’essai avec la broche d’entrée analogique sur le microcontrôleur. Connectez les broches d’entrée logique du pilote de moteur pas à pas avec les broches numériques du microcontrôleur. L’entrée pas à pas sur le pilote de moteur pas à pas est connectée à un port modulé en largeur d’impulsion de broches numériques sur le microcontrôleur indiqué par un signe tilde.

Connectez l’alimentation à la planche d’essai comme indiqué dans le texte. Réglez ensuite l’alimentation sur 10 volts pour la platine d’essai et le pilote de moteur pas à pas. Pour contrôler les pompes à pression de seringue, ouvrez d’abord l’environnement de développement intégré (IDE) pour le microcontrôleur open source.

Téléchargez les bibliothèques Timer. h et ExcelStepper. h dans le répertoire de bibliothèque IDE du microcontrôleur.

Téléchargez le code du contrôleur intitulé Dual Pump PID Control.INO. Ce code est utilisé pour contrôler le système de pousse-seringue contrôlé par rétroaction avec deux pompes. Programmez le code du contrôleur de manière à ce qu’il corresponde à l’expérience en cours.

Modifiez les paramètres de contrôle des paramètres de synchronisation pour les adapter à la réponse souhaitée et à la durée de l’expérience. Compilez et téléchargez le code sur le microcontrôleur avant d’exécuter l’expérience. Allumez l’alimentation électrique du système de pompe à seringue.

Enfin, réglez la tension sur 10 volts pour l’alimentation du moteur pas à pas. Vous trouverez ici des résultats représentatifs montrant comment les paramètres de contrôle peuvent être réglés. La modification des coefficients proportionnels comme indiqué ici conduit à des profils de réponse différents pour les signaux de pression.

La modification des coefficients intégraux et différentiels entraîne également des changements dans les profils de réponse. Les paramètres peuvent être optimisés pour différents plans d’expérience. Voici des résultats représentatifs montrant le contrôle et la modulation d’un profil d’écoulement laminaire dans un dispositif microfluidique.

En contrôlant la pression d’entrée à deux orifices d’entrée d’un dispositif microfluidique en forme de Y, la position de l’interface peut être contrôlée avec précision en aval. Suite à cette procédure, d’autres techniques telles que la culture cellulaire et la microscopie peuvent être réalisées afin de répondre à des questions liées à la dynamique régulatrice des réseaux de gènes synthétiques, à la physiologie cellulaire et aux réseaux de régulation biologiques. Ces systèmes de pousse-seringue ont permis un développement plus rapide des procédures microfluidiques au sein de notre groupe de laboratoire.

Ces dispositifs constituent un moyen peu coûteux et rapide pour les groupes de contrôler le flux à travers de nombreux dispositifs microfluidiques différents. Nous espérons que les chercheurs d’un large éventail de disciplines seront en mesure d’utiliser et d’étendre ces pousse-seringues à pression régulée pour leurs besoins microfluidiques.