תלת מימדי הדפסה של חומרים תרמופלסטיים כדי ליצור אוטומטית משאבות מזרק עם בקרת משוב עבור יישומים Microfluidic

שיטה זו יכולה לסייע לאפשר מחקר בכל תחום הדורש טיפול מדויק בנוזלים, כולל ביולוגיה מולקולרית, תאית ומערכות, הנדסה כימית ומיקרו-פבריקציה. היתרון העיקרי של גישה זו הוא שאנו מסוגלים לייצר משאבות מזרקים מווסתות לחץ בעלות נמוכה. טכניקה זו אמורה לחסוך כסף במגוון רחב של תחומים.

טכניקה זו מציגה כיצד אנו יכולים לשלב ייצור תוספים עם אלקטרוניקה בקוד פתוח כדי ליצור מכשור מעבדה שימושי. כדי להתחיל, הורד את קבצי העיצוב של STL מהקבצים המשלימים של פרסום זה. הכן קבצים אלה להדפסה על ידי פתיחתם בחבילת תוכנה ייעודית להמרה של קבצי מודל STL לערכות הוראות הפעלה עבור מדפסת התלת מימד שבה נעשה שימוש.

ודא שנעשה שימוש בתוכנה המתאימה מכיוון שמדפסות מסוימות ידרשו תוכנה קניינית בעוד שאחרות יוכלו להדפיס ישירות מקובץ STL. כעת הדפס את רכיבי הפלסטיק באמצעות אקרילוניטריל בוטאדיאן סטירן עם הגדרת מדפסת תלת מימד איכותית. אם נעשה שימוש בחומרי הדפסת תלת מימד נפוצים אחרים כגון חומצה פולילקטית או אלסטומרים תרמופלסטיים אחרים, ודא שהתכונות המכניות המוגמרות ניתנות להשוואה.

לאחר השלמתו, נתק את החלקים המודפסים מפלטפורמת ההדפסה של מדפסת התלת מימד. הסר את המבנה התומך המודפס מהחלקים המוגמרים. החלק את הרכיבים המודפסים על ידי שיוף קצוות מחוספסים באמצעות נייר זכוכית.

לקבלת התוצאות הטובות ביותר, השתמש בנייר זכוכית בגודל חצץ מתחת ל-220. ודא שכל הרכיבים חלקים לפני ההרכבה וודא שכל שבעת החלקים הודפסו. הדק את מנוע הצעד למוט הברגה באמצעות מצמד גמיש של ציר z עם ברגים מוגדרים.

לפני שתמשיך, ודא שסיבוב פיר מנוע הצעד מניע את מוט ההברגה ללא החלקה. חבר את פלטפורמת המזרק למחבר המנוע על ידי לחיצה חזקה על יתדות החיבור של פלטפורמת המזרק לתוך חורי החיבור על גבי מחבר המנוע. חבר את שני החלקים על ידי הידוק ארבעה ברגים של 16 מילימטר דרך מחבר המנוע.

כעת הכנס שני מיסבים כדוריים ליניאריים ואום משושה של 0.8 מילימטר לפתחים הממוקמים בתחתית דחיפה של הנוסע. יישר את מוט הברגה על מחבר המנוע דרך אום המשושה 0.8 מילימטר בדחיפה של הנוסע. לאחר מכן הכנס את שני הצירים הליניאריים דרך דחיפה של הנוסע פנימה את מחבר המנוע.

כעת הנח שני אגוזי משושה בחללים המשושים של חלק מחבר המנוע ולאחר מכן השתמש בשני ברגים של 16 מילימטר כדי להדק את החיבורים המאבטחים את הצירים הליניאריים מפני תנועה. הכנס את מיסב הכדור לפתח האמצעי של מעצור הקצה. חבר את מעצור הקצה עם הרכיבים המורכבים.

הנח שני אגוזי משושה בחללים המשושים של חתיכת מעצור הקצה ולאחר מכן השתמש בשני ברגים של 16 מילימטר כדי להדק את החיבורים כדי להצמיד את מעצור הקצה למכלול. לאחר מכן, חבר את חלק המחבר הנקבי של בוכנת המזרק לחלק הדחיפה של הנוסע באמצעות שני אגוזי נעילה מפלדה ושני ברגים של 16 מילימטר. הניחו מזרק של 10 מיליליטר על החלק העליון של המשאבה.

ודא שראש הבוכנה מיושר לתוך החריץ של חלק המחבר הנקבי של בוכנת המזרק ושהחלק העליון של קנה המזרק מקובע בחריץ של מחבר המנוע. כעת הכנס את חלק המחבר הזכר של בוכנת המזרק לתוך מחבר נקבה של בוכנת המזרק. חבר את מהדק המזרק לפלטפורמת המזרק באמצעות שני אגוזי משושה ושני ברגים של 35 מילימטר כדי להבטיח שקנה המזרק מקובע בחריץ של מהדק המזרק.

ודא שיש התאמה הדוקה בין הרכיבים הזכריים והנקביים המאבטחים את הבוכנה במקומה. המשך להכנת מכשיר מיקרופלואידי, כמפורט בפרוטוקול הטקסט. כדי להתחיל בהרכבת מערכת משאבת המזרק, הסר 80% מאורך בידוד החוט והמיגון מהכבל החשמלי של חיישן הלחץ באמצעות סכין גילוח.

היו עדינים בעת החיתוך כדי להבטיח שהחוטים לא ייפגעו מעל האורך הרצוי. לאחר הסרת הבידוד והמיגון, חבר את החוטים למחברים מלבניים זכריים. בגישה דומה, הסר סנטימטר עד שניים מבידוד החוטים ממובילי מנוע צעד וחבר את החוטים למחברים מלבניים זכריים.

כעת הצמד את המזרק לצד הכניסה של חיישן הלחץ. חבר את מחט החלוקה 22 מד לצד היציאה של חיישן הלחץ. החלק קצה אחד של צינור בקוטר 0.51 סנטימטר מעל מחט החלוקה בגודל 22 המחוברת לחיישן הלחץ.

החלק את הקצה השני של הצינור מעל מחט חלוקה בגודל 22 שניתן לחבר למכשיר המיקרופלואידי. לאחר מכן חבר את המחט ליציאת הכניסה של המכשיר המיקרופלואידי. חבר את יציאת היציאה של המכשיר המיקרופלואידי למאגר פינוי פסולת באמצעות מחט בגודל 22 וצינור בקוטר 0.51 ס"מ בדומה לחיבור יציאת הכניסה.

לאחר מכן, הרכיבו את המעגל האלקטרוני על לוח אב-טיפוס בהתאם לתרשים בפרוטוקול הטקסט. חבר את החוטים ממנוע הצעד עם נהג מנוע הצעד. לאחר מכן חבר את החוטים מחיישן הלחץ ומנהג מנוע הצעד ללוח הלחם.

כעת חבר את אות הפלט מלוח הלחם עם פין הקלט האנלוגי במיקרו-בקר. חבר את פיני הכניסה הלוגית מדוחף מנוע הצעד עם הפינים הדיגיטליים במיקרו-בקר. כניסת הצעד על דוחף מנוע הצעד מחוברת עם יציאה מאופנת רוחב פולס של פינים דיגיטליים על המיקרו-בקר המסומנת על ידי סימן טילדה.

חבר את ספק הכוח ללוח הלחם כפי שמוצג בטקסט. לאחר מכן הגדר את ספק הכוח ל-10 וולט עבור לוח הלחם ונהג מנוע הצעד. כדי לשלוט במשאבות לחץ המזרק, פתח תחילה את סביבת הפיתוח המשולבת או IDE עבור המיקרו-בקר בקוד פתוח.

הורד את ספריות הטיימר. h ו-ExcelStepper. h לספריית ספריית ה-IDE של המיקרו-בקר.

הורד את קוד הבקר שכותרתו Dual Pump PID Control.INO. קוד זה משמש לשליטה במערכת משאבת המזרק הנשלטת על ידי משוב עם שתי משאבות. תכנת את קוד הבקר כך שיתאים לניסוי המתבצע.

שנה את פרמטרי הבקרה עבור פרמטרי התזמון כך שיתאימו לתגובה ולמשך הניסוי הרצויים. הידור והעלאה של הקוד למיקרו-בקר לפני הפעלת הניסוי. הפעל את ספק הכוח למערכת משאבת המזרק.

לבסוף, הגדר את המתח ל-10 וולט עבור ספק הכוח של מנוע הצעד. מוצגות כאן תוצאות מייצגות המראות כיצד ניתן לכוונן את פרמטרי הבקרה. שינוי המקדמים הפרופורציונליים כפי שמוצג כאן מוביל לפרופילי תגובה שונים עבור אותות הלחץ.

שינוי המקדמים האינטגרליים והדיפרנציאליים מוביל גם לשינויים בפרופילי התגובה. ניתן לבצע אופטימיזציה של פרמטרים עבור עיצובים ניסיוניים שונים. מוצגות כאן תוצאות מייצגות המציגות את הבקרה והאפנון של פרופיל זרימה למינרית במכשיר מיקרופלואידי.

על ידי שליטה בלחץ הכניסה בשתי יציאות כניסה של התקן מיקרו-נוזלי בצורת Y, ניתן לשלוט במדויק על מיקום הממשק במורד הזרם. בעקבות הליך זה, ניתן לבצע טכניקות אחרות כגון תרבית תאים ומיקרוסקופיה על מנת לענות על שאלות הקשורות לדינמיקה של ויסות רשת גנים סינתטית, פיזיולוגיה של התא ורשתות בקרה ביולוגיות. מערכות משאבת מזרקים אלו אפשרו פיתוח מהיר יותר של הליכים מיקרופלואידיים בתוך קבוצת המעבדה שלנו.

מכשירים אלה הם דרך זולה וחסכונית בזמן עבור קבוצות לשלוט בזרימה דרך מכשירים מיקרופלואידיים רבים ושונים. אנו מקווים שחוקרים במגוון רחב של דיסציפלינות יוכלו להשתמש ולהרחיב את משאבות המזרקים המווסתות בלחץ לצרכים המיקרופלואידיים שלהם.