Tridimensional de impressão de materiais termoplásticos para criar automatizado bombas de seringa com controle de gabarito para aplicações microfluídicos

Este método pode ajudar a permitir pesquisas em qualquer campo que exija manuseio preciso de líquidos, incluindo biologia molecular, celular e de sistemas, engenharia química e microfabricação. A principal vantagem dessa abordagem é que somos capazes de fabricar bombas de seringa reguladas por pressão de baixo custo. Essa técnica deve economizar dinheiro em uma ampla gama de disciplinas.

Essa técnica mostra como podemos combinar a manufatura aditiva com a eletrônica de código aberto para criar uma peça útil de instrumentação de laboratório. Para começar, baixe os arquivos de design STL dos arquivos suplementares desta publicação. Prepare esses arquivos para impressão abrindo-os em um pacote de software dedicado à conversão de arquivos de modelo STL em conjuntos de instruções executáveis para a impressora 3D que está sendo usada.

Certifique-se de que o software adequado esteja sendo usado, pois algumas impressoras exigirão software proprietário, enquanto outras podem imprimir diretamente do arquivo STL. Agora imprima os componentes plásticos usando acrilonitrila butadieno estireno com uma configuração de impressora 3D de alta qualidade. Se outros materiais comuns de impressão 3D estiverem sendo usados, como ácido polilático ou outros elastômeros termoplásticos, certifique-se de que as propriedades mecânicas acabadas sejam comparáveis.

Depois de concluído, retire as peças impressas da plataforma de impressão da impressora 3D. Remova a estrutura de suporte impressa das peças acabadas. Alise os componentes impressos lixando as bordas ásperas usando uma lixa.

Para obter melhores resultados, use uma lixa com grão abaixo de 220. Certifique-se de que todos os componentes estejam lisos antes de montar e certifique-se de que todas as sete peças foram impressas. Prenda o motor de passo a uma haste rosqueada usando um acoplador flexível do eixo z do eixo do motor com parafusos de fixação.

Antes de continuar, certifique-se de que girar o eixo do motor de passo aciona a haste rosqueada sem escorregar. Conecte a plataforma da seringa ao conector do motor pressionando firmemente os pinos de conexão da plataforma da seringa nos orifícios correspondentes na parte superior do conector do motor. Prenda as duas peças apertando quatro parafusos de 16 milímetros através do conector do motor.

Agora insira dois rolamentos lineares de esferas e uma porca sextavada de 0,8 milímetro nas aberturas localizadas na parte inferior do empurrão do viajante. Alinhe a haste rosqueada no conector do motor através da porca sextavada de 0.8 milímetros no impulso do viajante. Em seguida, insira os dois eixos lineares através do empurrão do viajante no conector do motor.

Agora coloque duas porcas sextavadas nos espaços hexagonais da peça do conector do motor e, em seguida, use dois parafusos de 16 milímetros para apertar as conexões que impedem o movimento dos eixos lineares. Insira o rolamento de esferas na abertura central do batente final. Conecte o batente final com os componentes montados.

Coloque duas porcas sextavadas nos espaços hexagonais da peça do batente e, em seguida, use dois parafusos de 16 milímetros para apertar as conexões para fixar o batente final ao conjunto. Em seguida, prenda a peça do conector fêmea do êmbolo da seringa à peça de pressão do viajante usando duas contraporcas de aço e dois parafusos de 16 milímetros. Coloque uma seringa de 10 mililitros na parte superior da bomba.

Certifique-se de que a cabeça do êmbolo esteja alinhada com o entalhe da peça do conector fêmea do êmbolo da seringa e que a parte superior do corpo da seringa esteja fixada na ranhura do conector do motor. Agora insira a peça do conector macho do êmbolo da seringa no conector fêmea do êmbolo da seringa. Conecte a seringa clamp à plataforma da seringa usando duas porcas sextavadas e dois parafusos de 35 milímetros, garantindo que o corpo da seringa seja fixado na ranhura da seringa clamp.

Certifique-se de que haja um encaixe firme entre os componentes macho e fêmea, prendendo o êmbolo no lugar. Prossiga para a preparação do dispositivo microfluídico conforme detalhado no protocolo de texto. Para iniciar a montagem do sistema de bomba de seringa, remova 80% do comprimento do isolamento do fio e da blindagem do cabo elétrico do sensor de pressão usando uma navalha.

Seja gentil ao cortar para garantir que os fios não sejam comprometidos acima do comprimento desejado. Depois que o isolamento e a blindagem forem removidos, conecte os fios aos conectores retangulares macho. Usando uma abordagem semelhante, remova um a dois centímetros do isolamento do fio dos cabos de um motor de passo e conecte os fios a conectores retangulares macho.

Agora fixe a seringa no lado de entrada do sensor de pressão. Conecte a agulha dispensadora de calibre 22 no lado de saída do sensor de pressão. Deslize uma extremidade do tubo de 0.51 centímetro de diâmetro sobre a agulha dispensadora de calibre 22 conectada ao sensor de pressão.

Deslize a outra extremidade do tubo sobre uma agulha dispensadora de calibre 22 que pode ser conectada ao dispositivo microfluídico. Em seguida, conecte a agulha à porta de entrada do dispositivo microfluídico. Conecte a porta de saída do dispositivo microfluídico a um reservatório de descarte de resíduos usando uma agulha de calibre 22 e um tubo de 0.51 centímetro de diâmetro semelhante à conexão da porta de entrada.

Em seguida, monte o circuito eletrônico em uma placa de ensaio de prototipagem de acordo com o diagrama do protocolo de texto. Conecte os fios do motor de passo com o driver do motor de passo. Em seguida, conecte os fios do sensor de pressão e o driver do motor de passo à placa de ensaio.

Agora conecte o sinal de saída da placa de ensaio com o pino de entrada analógica no microcontrolador. Conecte os pinos de entrada lógica do driver do motor de passo com os pinos digitais no microcontrolador. A entrada de passo no driver do motor de passo é conectada a uma porta modulada por largura de pulso de pinos digitais no microcontrolador denotada por um sinal til.

Conecte a fonte de alimentação à placa de ensaio conforme mostrado no texto. Em seguida, defina a fonte de alimentação para 10 volts para a placa de ensaio e o driver do motor de passo. Para controlar as bombas de pressão da seringa, primeiro abra o Ambiente de Desenvolvimento Integrado ou IDE para o microcontrolador de código aberto.

Baixe as bibliotecas Timer. h e ExcelStepper. h para o diretório da biblioteca IDE do microcontrolador.

Baixe o código do controlador intitulado Dual Pump PID Control.INO. Este código é usado para controlar o sistema de bomba de seringa controlado por feedback com duas bombas. Programe o código do controlador para que ele se ajuste ao experimento que está sendo conduzido.

Modifique os parâmetros de controle para os parâmetros de tempo para se adequar à resposta desejada e à duração do experimento. Compile e carregue o código no microcontrolador antes de executar o experimento. Ligue a fonte de alimentação do sistema de bomba de seringa.

Por fim, defina a tensão para 10 volts para a fonte de alimentação do motor de passo. Aqui são mostrados resultados representativos que mostram como os parâmetros de controle podem ser ajustados. A modificação dos coeficientes proporcionais, conforme mostrado aqui, leva a diferentes perfis de resposta para os sinais de pressão.

A modificação dos coeficientes integrais e diferenciais também leva a mudanças nos perfis de resposta. Os parâmetros podem ser otimizados para diferentes desenhos experimentais. Aqui são mostrados resultados representativos que mostram o controle e a modulação de um perfil de fluxo laminar em um dispositivo microfluídico.

Ao controlar a pressão de entrada em duas portas de entrada de um dispositivo microfluídico em forma de Y, a posição da interface pode ser controlada com precisão a jusante. Após esse procedimento, outras técnicas, como cultura celular e microscopia, podem ser realizadas para responder a questões relacionadas à dinâmica regulatória de redes gênicas sintéticas, fisiologia celular e redes regulatórias biológicas. Esses sistemas de bomba de seringa permitiram um desenvolvimento mais rápido de procedimentos microfluídicos em nosso grupo de laboratório.

Esses dispositivos são uma maneira barata e eficiente de tempo para os grupos controlarem o fluxo através de muitos dispositivos microfluídicos diferentes. Esperamos que pesquisadores de uma ampla gama de disciplinas possam usar e estender essas bombas de seringa reguladas por pressão para suas necessidades microfluídicas.