Трехмерная печать термопластических материалов для создания автоматических насосов шприц с обратной связью для Microfluidic приложений

Этот метод может помочь в проведении исследований в любой области, требующей точной работы с жидкостями, включая молекулярную, клеточную и системную биологию, химическую инженерию и микропроизводство. Основное преимущество такого подхода заключается в том, что мы можем изготавливать недорогие шприцевые насосы с регулируемым давлением. Этот метод должен сэкономить деньги в широком спектре дисциплин.

Этот метод демонстрирует, как мы можем объединить аддитивное производство с электроникой с открытым исходным кодом, чтобы создать полезное лабораторное оборудование. Для начала загрузите файлы проекта STL из дополнительных файлов этой публикации. Подготовьте эти файлы к печати, открыв их в программном пакете, предназначенном для преобразования файлов моделей STL в исполняемые наборы инструкций для используемого 3D-принтера.

Убедитесь, что используется правильное программное обеспечение, так как для некоторых принтеров требуется проприетарное программное обеспечение, в то время как другие могут печатать непосредственно из файла STL. Теперь напечатайте пластиковые компоненты с использованием акрилонитрилбутадиенстирола с настройкой высококачественного 3D-принтера. Если используются другие распространенные материалы для 3D-печати, такие как полимолочная кислота или другие термопластичные эластомеры, убедитесь, что готовые механические свойства сопоставимы.

После этого отсоедините напечатанные детали от печатной платформы 3D-принтера. Снимите напечатанную несущую конструкцию с готовых деталей. Сгладьте напечатанные компоненты, отшлифуя все шероховатые края с помощью наждачной бумаги.

Для достижения наилучших результатов используйте наждачную бумагу с зернистостью менее 220. Перед сборкой убедитесь, что все компоненты гладкие, и убедитесь, что все семь деталей были напечатаны. Закрепите шаговый двигатель на резьбовом стержне с помощью гибкой муфты по оси Z вала двигателя с установочными винтами.

Прежде чем продолжить, убедитесь, что вращение вала шагового двигателя приводит в движение резьбовой стержень без проскальзывания. Подсоедините платформу шприца к разъему двигателя, плотно вдавив соединительные штифты платформы шприца в сопрягаемые отверстия в верхней части разъема двигателя. Соедините две части, закрепив четыре 16-миллиметровых винта через разъем двигателя.

Теперь вставьте два линейных шарикоподшипника и шестигранную гайку диаметром 0,8 миллиметра в отверстия, расположенные в нижней части толчка путешественника. Совместите резьбовой стержень на разъеме двигателя через шестигранную гайку 0,8 мм в толкателе перемещения. Затем вставьте два линейных вала через толчок перемещения в разъем двигателя.

Теперь поместите две шестигранные гайки в шестигранные пространства соединительной части двигателя, а затем с помощью двух 16-миллиметровых винтов затяните соединения, удерживающие линейные валы от перемещения. Вставьте шарикоподшипник в среднее отверстие концевого упора. Соедините концевой упор с собранными компонентами.

Поместите две шестигранные гайки в шестигранные пространства концевого упора, а затем с помощью двух 16-миллиметровых винтов затяните соединения, чтобы прикрепить концевой упор к узлу. Далее прикрепите соединительную часть поршня шприца с внутренней резьбой к толкателю путешественника с помощью двух стальных контргаек и двух 16-миллиметровых винтов. Поместите шприц объемом 10 миллилитров на верхнюю часть насоса.

Убедитесь, что головка поршня выровнена по вырезу внутренней соединительной детали плунжера шприца и что верхняя часть цилиндра шприца закреплена в прорези разъема двигателя. Теперь вставьте соединительную часть шприцевого плунжера с наружной резьбой в гнездовой соединитель шприца. Подсоедините зажим шприца к платформе шприца с помощью двух шестигранных гаек и двух винтов диаметром 35 мм, чтобы цилиндр шприца был зафиксирован в пазе зажима шприца.

Убедитесь, что между наружным и внутренним компонентами есть плотное прилегание, фиксирующее поршень на месте. Приступайте к подготовке микрофлюидного устройства, как подробно описано в текстовом протоколе. Чтобы начать сборку системы шприцевого насоса, удалите 80% длины изоляции провода и экран от электрического кабеля датчика давления с помощью бритвы.

Будьте осторожны при резке, чтобы проволока не была повреждена более чем до желаемой длины. После снятия изоляции и экранирования подключите провода к прямоугольным разъемам с наружной резьбой. Используя аналогичный подход, снимите один-два сантиметра изоляции проводов с выводов шагового двигателя и подключите провода к штекерным прямоугольным разъемам.

Теперь прикрепите шприц к входной стороне датчика давления. Подсоедините дозирующую иглу 22 калибра к выходной стороне датчика давления. Наденьте один конец трубки диаметром 0,51 см на дозирующую иглу 22 калибра, прикрепленную к датчику давления.

Наденьте другой конец трубки на дозирующую иглу 22 калибра, которую можно подключить к микрофлюидному устройству. Затем подсоедините иглу к входному отверстию микрофлюидного устройства. Подсоедините выходное отверстие микрофлюидного устройства к резервуару для утилизации отходов с помощью иглы 22 калибра и трубки диаметром 0,51 сантиметра, аналогичной соединению впускного отверстия.

Далее соберите электронную схему на макетной плате прототипа в соответствии со схемой в текстовом протоколе. Соедините провода от шагового двигателя с драйвером шагового двигателя. Затем подключите провода от датчика давления и драйвера шагового двигателя к макетной плате.

Теперь соедините выходной сигнал с макетной платы с аналоговым входным контактом на микроконтроллере. Соедините контакты логического ввода драйвера шагового двигателя с цифровыми контактами на микроконтроллере. Ступенчатый вход на драйвере шагового двигателя соединен с широтно-импульсным портом цифровых выводов на микроконтроллере, обозначаемым знаком тильды.

Подключите блок питания к макетной плате, как показано в тексте. Затем установите напряжение питания на 10 вольт для макетной платы и драйвера шагового двигателя. Чтобы управлять насосами давления шприца, сначала откройте интегрированную среду разработки или IDE для микроконтроллера с открытым исходным кодом.

Загрузите библиотеки Timer. h и ExcelStepper. h в каталог библиотек IDE микроконтроллера.

Загрузите код контроллера под названием Dual Pump PID Control.INO. Этот код используется для управления системой шприцевого насоса с обратной связью с двумя насосами. Запрограммируйте код контроллера так, чтобы он соответствовал проводимому эксперименту.

Измените контрольные параметры для временных параметров, чтобы они соответствовали желаемой реакции и продолжительности эксперимента. Скомпилируйте и загрузите код на микроконтроллер перед запуском эксперимента. Включите источник питания для системы шприцевого насоса.

Наконец, установите напряжение на 10 вольт для источника питания шагового двигателя. Здесь представлены репрезентативные результаты, показывающие, как могут быть настроены параметры управления. Изменение пропорциональных коэффициентов, как показано здесь, приводит к различным профилям отклика для сигналов давления.

Модификация интегральных и дифференциальных коэффициентов также приводит к изменению профилей отклика. Параметры могут быть оптимизированы для различных экспериментальных конструкций. Здесь представлены репрезентативные результаты, показывающие управление и модуляцию профиля ламинарного потока в микрофлюидном устройстве.

Регулируя давление на входе в двух входных отверстиях Y-образного микрофлюидного устройства, можно точно контролировать положение границы раздела после него. После этой процедуры могут быть выполнены другие методы, такие как культивирование клеток и микроскопия, чтобы ответить на вопросы, связанные с динамикой регуляторной сети синтетических генов, физиологией клетки и биологическими регуляторными сетями. Эти шприцевые насосные системы позволили ускорить разработку микрофлюидных процедур в нашей лабораторной группе.

Эти устройства представляют собой недорогой и эффективный по времени способ управления потоком с помощью множества различных микрофлюидных устройств. Мы надеемся, что исследователи в самых разных дисциплинах смогут использовать и расширять эти шприцевые насосы с регулируемым давлением для удовлетворения своих микрофлюидных потребностей.