Tridimensionale di stampa di materiali termoplastici per creare automatizzati pompe a siringa con controllo in retroazione per applicazioni di microfluidica

Questo metodo può aiutare a consentire la ricerca in qualsiasi campo che richieda una manipolazione di precisione dei liquidi, tra cui la biologia molecolare, cellulare e dei sistemi, l'ingegneria chimica e la microfabbricazione. Il vantaggio principale di questo approccio è che siamo in grado di fabbricare pompe a siringa a bassa pressione regolate. Questa tecnica dovrebbe far risparmiare denaro in un'ampia gamma di discipline.

Questa tecnica mostra come possiamo accoppiare la produzione additiva con l'elettronica open source per creare un utile pezzo di strumentazione di laboratorio. Per iniziare, scarica i file di progettazione STL dai file supplementari di questa pubblicazione. Prepara questi file per la stampa aprendoli in un pacchetto software dedicato alla conversione dei file del modello STL in set di istruzioni eseguibili per la stampante 3D in uso.

Assicurarsi che venga utilizzato il software appropriato poiché alcune stampanti richiedono un software proprietario, mentre altre potrebbero essere in grado di stampare direttamente dal file STL. Ora stampa i componenti in plastica utilizzando acrilonitrile butadiene stirene con un'impostazione di stampante 3D di alta qualità. Se vengono utilizzati altri materiali comuni per la stampa 3D, come l'acido polilattico o altri elastomeri termoplastici, assicurarsi che le proprietà meccaniche finite siano comparabili.

Una volta completato, stacca le parti stampate dalla piattaforma di stampa della stampante 3D. Rimuovere la struttura portante stampata dalle parti finite. Levigare i componenti stampati levigando eventuali bordi ruvidi con carta vetrata.

Per ottenere i migliori risultati, utilizzare carta vetrata con una grana inferiore a 220. Assicurarsi che tutti i componenti siano lisci prima del montaggio e assicurarsi che tutte e sette le parti siano state stampate. Fissare il motore passo-passo a un'asta filettata utilizzando un accoppiatore flessibile dell'asse z dell'albero motore con viti di fermo.

Prima di continuare, assicurarsi che ruotando l'albero del motore passo-passo si aziona l'asta filettata senza slittamenti. Collegare la piattaforma della siringa al connettore del motore premendo con decisione i perni di collegamento della piattaforma della siringa nei fori di accoppiamento sulla parte superiore del connettore del motore. Fissare le due parti fissando quattro viti da 16 millimetri attraverso il connettore del motore.

Ora inserisci due cuscinetti a sfera lineari e un dado esagonale da 0,8 millimetri nelle aperture situate nella parte inferiore della spinta del carrello. Allineare l'asta filettata sul connettore del motore attraverso il dado esagonale da 0,8 millimetri nella spinta del carrello. Quindi inserire i due alberi lineari attraverso il traslatore, spingere il connettore del motore.

Ora posiziona due dadi esagonali negli spazi esagonali del connettore del motore, quindi usa due viti da 16 millimetri per serrare i collegamenti che fissano gli alberi lineari dal movimento. Inserire il cuscinetto a sfere nell'apertura centrale del finecorsa. Collegare il finecorsa con i componenti assemblati.

Posizionare due dadi esagonali negli spazi esagonali del pezzo di fine corsa, quindi utilizzare due viti da 16 millimetri per serrare i collegamenti per fissare il fermo finale al gruppo. Quindi, collegare il pezzo del connettore femmina dello stantuffo della siringa al pezzo di spinta del carrello utilizzando due controdadi in acciaio e due viti da 16 millimetri. Posizionare una siringa da 10 millilitri sulla parte superiore della pompa.

Assicurarsi che la testa dello stantuffo sia allineata nella tacca del connettore femmina dello stantuffo della siringa e che la parte superiore del serbatoio della siringa sia fissata nella fessura del connettore del motore. Ora inserire il pezzo del connettore maschio dello stantuffo della siringa nel connettore femmina dello stantuffo della siringa. Collegare il morsetto della siringa alla piattaforma della siringa utilizzando due dadi esagonali e due viti da 35 millimetri assicurandosi che il cilindro della siringa sia fissato nella fessura del morsetto della siringa.

Assicurarsi che vi sia una perfetta aderenza tra i componenti maschio e femmina che fissano lo stantuffo in posizione. Procedere alla preparazione del dispositivo microfluidico come descritto nel protocollo di testo. Per iniziare l'assemblaggio del sistema di pompa a siringa, rimuovere l'80% della lunghezza dell'isolamento del filo e della schermatura dal cavo elettrico del sensore di pressione utilizzando un rasoio.

Essere delicati durante il taglio per assicurarsi che i fili non siano compromessi al di sopra della lunghezza desiderata. Una volta rimossi l'isolamento e la schermatura, collegare i fili ai connettori rettangolari maschi. Utilizzando un approccio simile, rimuovere uno o due centimetri di isolamento del filo dai cavi di un motore passo-passo e collegare i fili a connettori rettangolari maschi.

Fissare ora la siringa sul lato di ingresso del sensore di pressione. Collegare l'ago di erogazione del manometro 22 sul lato di uscita del sensore di pressione. Far scorrere un'estremità del tubo di 0,51 centimetri di diametro sull'ago di erogazione del manometro 22 collegato al sensore di pressione.

Far scorrere l'altra estremità del tubo su un ago di erogazione calibro 22 che può essere collegato al dispositivo microfluidico. Quindi collegare l'ago alla porta di ingresso del dispositivo microfluidico. Collegare la porta di uscita del dispositivo microfluidico a un serbatoio di smaltimento dei rifiuti utilizzando un ago calibro 22 e un tubo di 0,51 centimetri di diametro simile alla connessione della porta di ingresso.

Successivamente, assemblare il circuito elettronico su una breadboard di prototipazione secondo lo schema nel protocollo di testo. Collegare i fili del motore passo-passo con il driver del motore passo-passo. Quindi collegare i fili del sensore di pressione e del driver del motore passo-passo alla breadboard.

Ora collega il segnale di uscita dalla breadboard con il pin di ingresso analogico sul microcontrollore. Collegare i pin di ingresso logico del driver del motore passo-passo con i pin digitali sul microcontrollore. L'ingresso a gradini sul driver del motore passo-passo è collegato a una porta modulata in larghezza di impulso di pin digitali sul microcontrollore indicata da un segno di tilde.

Collegare l'alimentatore alla breadboard come mostrato nel testo. Quindi impostare l'alimentazione a 10 volt per la breadboard e il driver del motore passo-passo. Per controllare le pompe a pressione della siringa, aprire prima l'ambiente di sviluppo integrato o IDE per il microcontroller open source.

Scaricare le librerie Timer. h e ExcelStepper. h nella directory della libreria IDE del microcontrollore.

Scarica il codice del controller intitolato Dual Pump PID Control.INO. Questo codice viene utilizzato per controllare il sistema di pompe a siringa con due pompe controllate dal feedback. Programmare il codice del controller in modo che si adatti all'esperimento in corso.

Modificare i parametri di controllo per i parametri di temporizzazione per adattarli alla risposta e alla durata desiderate dell'esperimento. Compilare e caricare il codice nel microcontrollore prima di eseguire l'esperimento. Accendere l'alimentazione del sistema di pompa a siringa.

Infine, impostare la tensione a 10 volt per l'alimentazione del motore passo-passo. Di seguito sono riportati i risultati rappresentativi che mostrano come i parametri di controllo possono essere regolati. La modifica dei coefficienti proporzionali, come mostrato qui, porta a diversi profili di risposta per i segnali di pressione.

La modifica dei coefficienti integrale e differenziale porta anche a cambiamenti nei profili di risposta. I parametri possono essere ottimizzati per diversi disegni sperimentali. Di seguito sono riportati i risultati rappresentativi che mostrano il controllo e la modulazione di un profilo di flusso laminare in un dispositivo microfluidico.

Controllando la pressione di ingresso su due porte di ingresso di un dispositivo microfluidico a forma di Y, la posizione dell'interfaccia può essere controllata con precisione a valle. Seguendo questa procedura, possono essere eseguite altre tecniche come la coltura cellulare e la microscopia per rispondere a domande relative alla dinamica regolatoria delle reti geniche sintetiche, alla fisiologia cellulare e alle reti regolatorie biologiche. Questi sistemi di pompe a siringa hanno consentito uno sviluppo più rapido delle procedure microfluidiche all'interno del nostro gruppo di laboratorio.

Questi dispositivi sono un modo economico ed efficiente in termini di tempo per i gruppi di controllare il flusso attraverso molti dispositivi microfluidici diversi. Ci auguriamo che i ricercatori di un'ampia gamma di discipline siano in grado di utilizzare ed estendere queste pompe a siringa a pressione regolata per le loro esigenze microfluidiche.