印刷作成する熱可塑性材料の三次元マイクロ流体用フィードバック制御を用いたシリンジ ポンプを自動

この方法は、分子生物学、細胞生物学、システム生物学、化学工学、微細加工など、精密な液体処理を必要とするあらゆる分野での研究を可能にします。このアプローチの主な利点は、低コストの圧力調整シリンジポンプを製造できることです。この手法は、幅広い分野で費用を節約できるはずです。

この手法は、アディティブマニュファクチャリングとオープンソースの電子機器を組み合わせて、有用な実験室用機器を作る方法を示しています。まず、この資料の補足ファイルから STL デザイン ファイルをダウンロードします。これらのファイルを印刷用に準備するには、STLモデルファイルを使用する3Dプリンターの実行可能命令セットに変換する専用のソフトウェアパッケージで開きます。

一部のプリンターには独自のソフトウェアが必要ですが、他のプリンターはSTLファイルから直接印刷できる可能性があるため、適切なソフトウェアが使用されていることを確認してください。次に、高品質の3Dプリンター設定でアクリロニトリルブタジエンスチレンを使用してプラスチック部品を印刷します。ポリ乳酸やその他の熱可塑性エラストマーなど、他の一般的な3Dプリント材料を使用している場合は、完成した機械的特性が同等であることを確認してください。

完了したら、印刷したパーツを3Dプリンターの印刷プラットフォームから取り外します。印刷した支持構造を完成部品から取り外します。紙やすりで粗いエッジを研磨することにより、印刷されたコンポーネントを滑らかにします。

最良の結果を得るには、グリットサイズが220未満のサンドペーパーを使用してください。組み立てる前にすべてのコンポーネントが滑らかであることを確認し、7つのパーツすべてが印刷されていることを確認してください。ステッピングモーターをネジ止め付きのモーターシャフトz軸フレキシブルカプラーを使用してネジ付きロッド

続行する前に、ステッピングモーターシャフトを回転させると、ねじ付きロッドが滑りなく駆動することを確認してください。シリンジプラットフォームの接続ペグをモーターコネクタ上部の嵌合穴にしっかりと押し込んで、シリンジプラットフォームをモーターコネクタに接続します。モーターコネクタに4本の16mmネジを通して、2つの部品を取り付けます。

次に、2つのリニアボールベアリングと0.8ミリメートルの六角ナットをトラベラープッシュの底部にある開口部に挿入します。モーターコネクタのネジ付きロッドをトラベラープッシュの0.8mm六角ナットに合わせます。次に、モーターコネクタのトラベラープッシュを介して2つのリニアシャフトを挿入します。

次に、モーターコネクタピースの六角形のスペースに2つの六角ナットを配置し、次に2本の16mmネジを使用して、リニアシャフトが動かないように固定する接続を締めます。ボールベアリングをエンドストップの中央の開口部に挿入します。組み立てたコンポーネントにエンドストップを接続します。

エンドストップピースの六角形のスペースに2つの六角ナットを配置し、次に2本の16ミリメートルネジを使用して接続を締め、エンドストップをアセンブリに固定します。次に、2つのスチールロックナットと2つの16mmネジを使用して、シリンジプランジャーメスコネクタピースをトラベラープッシュピースに取り付けます。ポンプの上部に10ミリリットルの注射器を置きます。

プランジャーのヘッドがシリンジプランジャーメスコネクタピースのノッチに位置合わせされていること、およびシリンジバレルの上部がモーターコネクタのスロットに固定されていることを確認します。次に、シリンジプランジャーのオスコネクタピースをシリンジプランジャーのメスコネクタに挿入します。シリンジクランプを 2 つの六角ナットと 2 本の 35 mm ネジを使用してシリンジプラットフォームに接続し、シリンジバレルがシリンジクランプのスロットに固定されていることを確認します。

プランジャーを所定の位置に固定するオスとメスのコンポーネントの間にしっかりとはまっていることを確認します。テキストプロトコルに詳述されているように、マイクロ流体デバイスの準備に進みます。シリンジポンプシステムの組み立てを開始するには、かみそりを使用して、圧力センサーの電気ケーブルからワイヤーの絶縁体とシールドの長さの80%を取り外します。

切断するときは、ワイヤーが希望の長さを超えて損なわれないように、優しくしてください。絶縁体とシールドを取り外したら、ワイヤをオスの長方形コネクタに接続します。同様のアプローチを使用して、ステッピングモーターのリード線からワイヤ絶縁体を1〜2センチメートル取り外し、ワイヤをオスの長方形コネクタに接続します。

次に、シリンジを圧力センサーの入口側に取り付けます。22ゲージのディスペンス針を圧力センサーの出口側に接続します。直径0.51センチメートルのチューブの一端を、圧力センサーに取り付けられた22ゲージのディスペンス針の上にスライドさせます。

チューブのもう一方の端を、マイクロ流体デバイスに接続できる22ゲージのディスペンス針の上にスライドさせます。次に、針をマイクロ流体デバイスの入口ポートに接続します。マイクロ流体デバイスの出口ポートを、入口ポートの接続部と同様の22ゲージの針と直径0.51センチメートルのチューブを使用して、廃棄物処理リザーバーに接続します。

次に、テキストプロトコルの図に従って、プロトタイピングブレッドボード上に電子回路を組み立てます。ステッピングモーターからのワイヤーをステッピングモータードライバーに接続します。次に、圧力センサーとステッピングモータードライバーからのワイヤーをブレッドボードに接続します。

次に、ブレッドボードからの出力信号をマイクロコントローラーのアナログ入力ピンに接続します。ステッピングモータードライバーからのロジック入力ピンをマイコンのデジタルピンに接続します。ステッピングモータードライバーのステップ入力は、チルダ記号で示されるマイクロコントローラーのデジタルピンのパルス幅変調ポートに接続されています。

テキストに示すように、電源をブレッドボードに接続します。次に、ブレッドボードとステッピングモータードライバーの電源を10ボルトに設定します。シリンジ圧力ポンプを制御するには、まずオープンソースのマイクロコントローラの統合開発環境またはIDEを開きます。

Timer.hおよびExcelStepper.hライブラリをマイクロコントローラのIDEライブラリディレクトリにダウンロードします。

Dual Pump PID Control.INOというタイトルのコントローラーコードをダウンロードします。このコードは、フィードバック制御シリンジポンプシステムを2つのポンプで制御するために使用されます。実施する実験に適合するようにコントローラー コードをプログラムします。

タイミング パラメーターの制御パラメーターを、実験の目的の応答と持続時間に合わせて変更します。実験を実行する前に、コードをコンパイルしてマイクロコントローラにアップロードします。シリンジポンプシステムの電源をオンにします。

最後に、電圧を設定しますtagステッピングモーター電源のボルト。ここに示されているのは、制御パラメータの調整方法を示す代表的な結果です。ここに示すように比例係数を変更すると、圧力信号の応答プロファイルが異なります。

積分係数と微分係数を変更すると、応答プロファイルも変更されます。パラメータは、さまざまな実験計画に対して最適化できます。ここに示されているのは、マイクロ流体デバイスにおける層流プロファイルの制御と変調を示す代表的な結果です。

Y字型マイクロ流体デバイスの2つの入口ポートで入口圧力を制御することにより、界面位置を下流で正確に制御できます。この手順に続いて、合成遺伝子ネットワーク制御ダイナミクス、細胞生理学、および生物学的制御ネットワークに関連する質問に答えるために、細胞培養や顕微鏡検査などの他の手法を実行できます。これらのシリンジポンプシステムは、私たちの研究室グループ内でのマイクロ流体手順のより迅速な開発を可能にしました。

これらのデバイスは、グループが多くの異なるマイクロ流体デバイスを介してフローを制御するための安価で時間効率の良い方法です。幅広い分野の研究者が、これらの圧力調整式シリンジポンプをマイクロ流体のニーズに合わせて使用し、拡張できるようになることを願っています。