Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-30T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 8 s
Description: 学ぶ 3Dプリント製シリンジポンプの構築法。熱可塑性材料とオープンソース電子部品を用いたフィードバック制御システムで、マイクロ流体研究における精密液体ハンドリングを低コストで実現します。

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著者は海軍研究のオフィスからサポート N00014-17-12306 と N00014-15-1-2502 賞し、同様、空軍科学研究局から賞 FA9550-13-1-0108 と国立科学財団助成金第 1709238 を認めます。

<ol><li>Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+present+and+future+role+of+microfluidics+in+biomedical+research%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The present and future role of microfluidics in biomedical research.</a> Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).</li>
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</ol>

著者が明らかに何もありません。

ここでは、閉ループ圧力制御とシリンジ ポンプ システムの新しい設計を提案します。これは、3 D プリントされたシリンジ ポンプ ピエゾ抵抗圧センサーとオープン ソースのマイクロ コント ローラーに統合することによって達成されました。PID コント ローラーを採用し、正確にインレット圧を制御し、同時にセット ポイントとその安定性を維持しながら高速応答時間を提供することができました。
マイクロ流体デバイスを用いた多くの実験は精密な流体制御を必要とし、よ特徴付けられた流プロファイルを悪用します。時空の濃度勾配15を探索し、さらに解析16.精密流体封入を生成する実験を含んでいる安定した流量プロファイルの重要な例PID コント ローラーを使用して、高パフォーマンスの応答を維持するために、このプロトコルで記述されているシステムには、流れの調節と長期的な安定性そのような層流の実験を検討する必要が生成されます。
た...

マイクロ ツールは、生物化学研究の科学者のために有用ななっています。マイクロ流体による低ボリュームの使用率、迅速測定機能、および明確に定義された流れプロファイル、ゲノムでトラクションを得て、プロテオーム研究、高スループット スクリーニング、診断、ナノテクノロジー、および単一セル分析1,2,3,4。また、マイクロ流体デバイス設計の柔軟性は、培養細菌コロニー5の時空間ダイナミクスの調査など、基礎科学研究を容易にできます。
各種流体の注入システムは、マイクロ流体デバイスへの流量を正確に実現する開発されています。このような注入システムなどは蠕動と再循環ポンプ6、圧力コント ローラー システム7、およびシリンジ ポンプ8。これら噴射システム、シリンジ ポンプ、しばしば高価な精密加工部品で構成されます。圧出力フローの閉ループ フィードバック制御とこれらのシステムの増強をこれらのシステムのコストを追加します。応答では、我々 は以前出力流量圧力を調節する閉ループ フィードバック コントロールを使用して、堅牢で低コストのシリンジ ポンプ システムを開発しました。閉ループ圧力制御を使用して、高価な精密エンジニア リング コンポーネントの必要性は改廃9です。
手頃な価格の 3 D 印刷ハードウェアと関連付けられているオープン ソース ・ ソフトウェアの重要な成長の組み合わせはアクセシブル デザインとマイクロ流体デバイスの作製ますます研究者にさまざまな分野10から。ただし、これらのデバイスを介してドライブの流体に使用するシステムは高価なままです。この低コストで流体制御システムの必要性に対処する手順アセンブリの数が少ないを必要とする、実験室の研究者によって作製することができますデザインを開発しました。にもかかわらず、低コストで簡単なアセンブリこのシステムは正確な流量制御を提供することができ、市販、クローズド ループのシリンジ ポンプ システムは、非常に高価にすることができますに代わる。
ここで、建設と閉ループ制御の使用のためのプロトコルを提供シリンジ ポンプ システム (図 1) を開発しました。システムの処理液は、ピエゾ抵抗型圧力センサー、マイクロ コント ローラー、以前研究11に触発された物理的なシリンジ ポンプで構成されます。比例・積分・微分 (PID) コント ローラーでプログラムを構成したら、システムは、マイクロ流体デバイスに規則正しい、圧力駆動型のフローを提供することが可能です。これは自分の仕事でマイクロを使用する研究者のより広範なグループを有効にするコストの高い商用製品に低コストで柔軟な代替を提供します。

<table><tbody><tr><td>Arduino IDE</td><td>Arduino.org</td><td></td><td>Arduino Uno R3制御ソフトウェア</td></tr><tr><td>ヘッダコネクタ, 2ポジション</td><td>Digi-Key</td><td>WM4000-ND</td><td></td></tr><tr><td>ヘッダコネクタ, 3ポジション</td><td>Digi-Key</td><td>WM4001-ND</td><td></td></tr><tr><td>ヘッダコネクタ, 4ポジション</td><td>Digi-Key</td><td>WM4002-ND</td><td></td></tr><tr><td>フックアップワイヤ, 22ゲージ, 黒</td><td>Digi-Key</td><td>1528-1752-ND</td><td></td></tr><tr><td>フックアップワイヤ、22ゲージ、青</td><td>Digi-Key</td><td>1528-1757-ND</td><td></td></tr><tr><td>フックアップワイヤ、22ゲージ、赤</td><td>Digi-Key</td><td>1528-1750-ND</td><td></td></tr><tr><td>フックアップワイヤ、22ゲージ、白</td><td>Digi-Key</td><td>1528-1768-ND</td><td></td></tr><tr><td>フックアップワイヤ、22ゲージ、黄色</td><td>Digi-Key</td><td>1528-1751-ND</td><td></td></tr><tr><td>計装アンプ</td><td></td>Texas <td>Instruments INA122P</td><td></td></tr><tr><td>マイコン、Arduino Uno R3</td><td>Arduino.org A000066</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ミニブレッドボード</td><td>Amazon</td><td>B01IMS0II0</td><td></td></tr><tr><td>電源</td><td>BK Precision</td><td>1550</td><td></td></tr><tr><td>圧力センサ</td><td>PendoTech</td><td>PRESS-S-000</td><td></td></tr><tr><td>角型コネクタ、ハウジング</td><td>Digi-Key</td><td>WM2802-ND</td><td></td></tr><tr><td>角型コネクタ、</td><td>Digi-Key</td>オス<td>WM2565CT-ND</td><td></td></tr><tr><td>抵抗器、10kΩ&nbsp;</td><td>Digi-Key</td><td>1135-1174-1-ND</td><td></td></tr><tr><td>抵抗器、330Ω&nbsp;</td><td>Digi-Key</td><td>330ADCT-ND</td><td></td></tr><tr><td>ステッピングモータドライバ、</td><td>EasyDriver Digi-Key</td><td>1568-1108-ND</td><td></td></tr><tr><td>USB 2.0ケーブル、A-オス-B-オス</td><td>Amazon</td><td>PC045</td><td></td></tr><tr><td>3Dプリント材料、Z-ABS&nbsp;</td><td>Zortrax</td><td></td><td>さまざまな色が利用可能です</td></tr><tr><td>3Dプリンター</td><td>Zortrax</td><td>M200</td><td>シリンジポンプ部品の印刷</td></tr><tr><td>ボールベアリング、17x6x6mm</td><td>アマゾン</td><td>B008X18NWK</td><td></td></tr><tr><td>六角小ネジ、M3x16mm&nbsp;</td><td>Amazon</td><td>B00W97MTII</td><td></td></tr><tr><td>六角小ネジ、M3x35mm&nbsp;</td><td>アマゾン</td><td>B00W97N2UW</td><td></td></tr><tr><td>六角ナット、M3 0.5&nbsp;</td><td>アマゾン</td><td>B012U6PKMO</td><td></td></tr><tr><td>六角ナット、M5&nbsp;</td><td>Amazon</td><td>B012T3C8YQ</td><td></td></tr><tr><td>旋盤丸棒</td><td>Amazon</td><td>B00AUB73HW</td><td></td></tr><tr><td>リニアボールベアリング</td><td>Amazon</td><td>B01IDKG1WO</td><td></td></tr><tr><td>リニアフレキシブルカプラー</td><td>Amazon</td><td>B010MZ8SQU</td><td></td></tr><tr><td>スチールロックナット、M3 0.5</td><td>Amazon</td><td>B000NBKLOQ</td><td></td></tr><tr><td>ステッピングモータ、NEMA-17、1.8o/ステップ</td><td>Digi-Key</td><td>1568-1105-ND</td><td></td></tr><tr><td>シリンジ、10mL、ルアーロックチップ</td><td>BD</td><td>309604</td><td></td></tr><tr><td>スレッドロッドアマゾン</td><td></td><td>B01MA5XREY</td><td></td></tr><tr><td>1H、1H、2H、2H-パーフルオロオクチルトリクロロシラン</td><td>フィッシャーサイエンティフィック</td><td>AAL1660609</td><td></td></tr><tr><td>カメラモジュール</td><td>Raspberry Pi Foundation</td><td>V2</td><td></td></tr><tr><td>コンパクトオーブン</td>フィ<td>ッシャーサイエンティフィック</td><td>PR305220G</td><td>ベーキングPDMSプレポリマー混合物そして、デバイス</td></tr><tr><td>ディスペンシングニードル、22ゲージ</td><td>McMaster-Carr</td><td>75165A682</td><td></td></tr><tr><td>ディスペンシングニードル、23ゲージ</td><td>McMaster-Carr</td><td>75165A684</td><td></td></tr>フィ<tr><td>ッシャーブランドプレミアムカバーグラスFisherScientific</td><td></td><td>12-548-5C</td><td></td></tr><tr><td>ガラス文化ペトリ皿、130x25mm</td><td>アメリカの教育製品</td><td>7-1500-5</td><td></td></tr><tr><td>プラズマクリーナー</td><td>Harrick Plasma</td><td>PDC-32G</td><td>カバーガラスとPDMSデバイスの結合</td></tr><tr><td>Razor Blades</td><td>FisherScientific</td><td>7071A141&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>スコッチマジックテープ</td><td>Amazon</td><td>B00RB1YAL6</td><td></td></tr><tr><td>シングルボードコンピューター</td><td>Raspberry Pi Foundation</td><td>Raspberry Pi 2 model B</td><td></td></tr><tr><td>スマートスパチュラ</td><td>FisherScientific</td><td>EW-06265-12</td><td></td></tr><tr><td>Sylgard 184 シリコーンエラストマーキット</td><td>FisherScientific</td><td>NC9644388</td><td></td></tr><tr><td>シリンジフィルター</td><td>Thermo Scientific</td><td>7252520</td><td></td></tr><tr><td>タイゴンチューブ</td><td>コールパーマー&nbsp;</td><td>EW-06419-01</td><td></td></tr><tr><td>真空デシケー</td><td>ターFisherScientific</td><td>08-594-15C</td>マスター<td>モールド上のPDMSプレポリマー混合物とコーティングフルオロシランの脱気</td></tr>皿計量皿<tr><td></td><td>FisherScientific</td><td>S67090A</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications

マイクロ生物・化学・物理学の研究で重要なツールとなっています。マイクロ流体実験の 1 つの重要なコンポーネントは、安定した流体入口流量や入口圧力を正確に提供することができるシステムです。ここでは、制御できるシリンジ ポンプ システムを開発した、マイクロ流体デバイスに配信入口流体圧力を調節します。このシステムは、低コストの材料と添加剤の製造原理、熱可塑性材料と可能な限り既製のコンポーネントの 3次元 (3 D) 印刷を活用を使用して設計されました。このシステムは 3 つの主要なコンポーネントで構成される: シリンジ ポンプ、圧力トランスデューサーとプログラム可能なマイクロ コント ローラー。このペーパー内の一連の製造、組立、およびこのシリンジ ポンプ システムをプログラミング プロトコルを詳しく説明します。さらに、我々 は、高忠実度、このシステムを用いて入口圧力のフィードバック制御を示す代表的な結果を含まれています。我々 は、マイクロ流体の使用のための参入障壁を下げるこのプロトコルは低コスト シリンジ ポンプ システムを作製する研究者を許可する期待の医学、化学、材料学。

ここでは、フィードバック制御の注射器の構築システムをポンプし、マイクロ流体アプリケーションの潜在的な用途を示すプロトコルを提案します。図 1は、シリンジ ポンプ、圧力センサー、マイクロ流体デバイス、マイクロ コント ローラー、圧力センサー回路とステッピング モーター ドライバーの接続システムを示しています。図2 シリンジ ポンプ アセンブリの詳細なコールアウトが表示され、電子回路圧力センシングの図が図 3で提示されます。制御パラメーターのチューニングのプロセスを図 4に示します。最後に、2 入口の Y 形マイクロ流体デバイスの入口圧力制御の代表的な結果を図 5に示します。
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-p...

マイクロ アプリケーションで使用される圧力制御シリンジ ポンプを構築するためのプロトコルをご紹介します。このシリンジ ポンプは、相加的製造ボディ、市販ハードウェアとオープン ソースの電子機器から作られます。結果システムは低コストで簡単に構築、できると規則正しい流体急速なマイクロ流体研究を有効にするを提供します。

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic ...

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に固定します。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。

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