Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

תלת מימדי הדפסה של חומרים תרמופלסטיים כדי ליצור אוטומטית משאבות מזרק עם בקרת משוב עבור יישומים Microfluidic

Published: August 30, 2018 doi: 10.3791/57532
Automatic Translation
*1, *1, 2, 1,2
1Department of Bioengineering, University of Pittsburgh, 2Department of Mechanical Engineering, Carnegie Mellon University
* These authors contributed equally

Summary

כאן אנו מציגים פרוטוקול לבנות משאבת מזרק לחץ מבוקר כדי לשמש microfluidic יישומים. זו משאבת מזרק עשוי גוף מתוצרת additively, בחומרה הניתנת לרכישה, אלקטרוניקה פתוח. מערכת המתקבלת היא בעלות נמוכה, פשוט לבנות, ומספק זרימת נוזל מוסדרים היטב כדי לאפשר מחקר microfluidic מהירה.

Abstract

מיקרופלואידיקה הפך כלי קריטי במחקר על פני ביולוגית, כימית, מדעים פיסיקליים. מרכיב חשוב אחד של ניסויים microfluidic הוא נוזל יציב טיפול המערכת מסוגל לספק באופן מדויק של כניסת קצב הזרימה או כניסת הלחץ. . הנה, פיתחנו מערכת משאבת מזרק היכולים לשלוט ומסר לווסת את כניסת הנוזלים הלחץ למכשיר microfluidic. מערכת זו תוכננה באמצעות חומרים נמוכים ועקרונות הייצור מוספים, מינוף תלת מימדי (3D) הדפסת חומרים תרמופלסטיים, רכיבי מדף במידת האפשר. מערכת זו מורכבת שלושה מרכיבים מרכזיים: מזרק משאבה מתמר לחץ, של מיקרו לתכנות. בתוך המאמר, אנחנו פירוט ערכה של פרוטוקולים בדיית, הרכבה של תכנות המערכת משאבת מזרק. יתר על כן, כללנו התוצאות נציג להפגין אמינות גבוהה, משוב שליטה על כניסת הלחץ באמצעות מערכת זו. אנו מצפים פרוטוקול זה יאפשר לחוקרים לפברק מערכות משאבת מזרק נמוכים, הנמכת המכשול ערך עבור השימוש מיקרופלואידיקה ב כימיה ביו, ולאחר מחקר בנושא החומרים.

Introduction

Microfluidic כלי שימושי עבור המדענים במחקר ביולוגי וכימי. ניצול בנפח נמוך, יכולות מדידה מהירה וכתוצאה הזרימה מוגדרים היטב פרופילים, מיקרופלואידיקה צברה אחיזה גנומית, מחקר פרוטיאומיה מבנית ההקרנה תפוקה גבוהה, אבחון רפואי, ננוטכנולוגיה, תא בודד ניתוח1,2,3,4. יתר על כן, הגמישות של עיצוב המכשיר microfluidic מאפשר בקלות מחקר מדעי בסיסי, כגון חוקרים את הדינמיקה ייתכן של מושבות חיידקים בתרבית5.

סוגים רבים של מערכות הזרקת נוזל פותחו למסור במדויק זרימה למכשירים microfluidic. דוגמאות של מערכות הזרקה כאלה כוללים סחרור, משאבות recirculation6, מערכות לחץ-קונטרולר7ו משאבות מזרק8. אלו מערכות הזרקה, כולל משאבות מזרק, מורכבים לעיתים קרובות רכיבים יקרים דיוק מהונדסים. משלים את המערכות האלה עם לולאה סגורה משוב שליטה בלחץ הזרם פלט של מוסיף לעלות של מערכות אלו. בתגובה, קודם לכן פיתחנו מערכת משאבת מזרק חזקות, בעלות נמוכה המשתמשת בקרת לולאה סגורה משוב כדי לווסת את לחץ זרימת outputted. באמצעות בקרת לולאה סגורה לחץ, הצורך רכיבים יקרים דיוק מהונדסים הוא והפרתה9.

השילוב של חומרה 3D-הדפסה במחיר סביר, גידול ניכר בתוכנת קוד פתוח המשויך הפך את עיצוב, ייצור של microfluidic התקנים נגיש יותר ויותר חוקרים ממגוון רחב של דיסציפלינות10. עם זאת, המערכות נהגה נוזל נסיעה דרך מכשירים אלו נשארים יקר. כדי לטפל צורך זה עבור מערכת בקרת נוזלים נמוכים, פיתחנו לעיצוב יכול להיות מפוברק על ידי חוקרים במעבדה, המחייב רק מספר קטן של מכלול צעדים. למרות הרכבה שלה נמוכים וישירה, מערכת זו מספקים בקרת זרימה מדויק ומספק אלטרנטיבה למערכות משאבת מזרק זמינים מסחרית, לולאה סגורה, אשר ניתן לחדשו.

כאן, אנו מספקים פרוטוקולים בנייה ושימוש לולאה סגורה מבוקר מזרק משאבה המערכת שפיתחנו (איור 1). הנוזל טיפול מערכת מורכבת של משאבת מזרק הפיזי בהשראת המחקר הקודם של11של מיקרו-בקר, חיישן לחץ piezoresistive. כאשר התאספו מתוכנת עם בקר (PID) פרופורציונלי-אינטגרל-נגזרת, המערכת היא מסוגלת לגרום זרימה מוסדר היטב, מונחה לחץ למכשירים microfluidic. זה מספק חלופה בעלות נמוכה וגמיש מוצרים מסחריים עלות גבוהה, הפעלת קבוצה רחבה יותר של החוקרים להשתמש מיקרופלואידיקה בעבודתם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. מימד להדפסה והרכבה של משאבת מזרק

  1. להכין, 3D-הדפסה המזרק משאבה רכיבים
    1. להוריד. STL עיצוב קבצים מתוך קבצי משלימה הנייר הזה.
      הערה: יש שש. קבצים STL, שכותרתו 'JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size.stl', 'JoVE_Syringe_Platform.stl', 'JoVE_Syringe_Plunger_Connectors.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_End_Stop.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector.stl', ו ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.stl', משלימה קבצים. קבצים אלה תואמים הרכיבים מודפס 3D של המשאבה מזרק.
    2. להכין קבצים אלה להדפסה על-ידי פתיחתן בחבילת תוכנה מוקדש ההמרה של. STL דגם קבצים לסטים הוראות הפעלה של המדפסת-3D בשימוש. ודא כי התוכנה הנכונה משמש כמו מדפסות מסוימות ידרשו תוכנה קניינית, ואילו אחרים עשויים להיות מסוגלים להדפיס ישירות. קובץ STL.
    3. הדפס רכיבי פלסטיק באמצעות styrene טבעי בוטאדיאן (ABS) עם הגדרת מדפסות תלת-ממד באיכות גבוהה. אם חומרים נפוצים אחרים הדפסת תלת-ממד נמצאים בשימוש, כגון חומצה polylactic (PLA) או אחרים אלסטומרים תרמופלסטיים, ודא כי תכונות מכאניות סיים (למשל, גמישות, היפותזות חוזק) הם המקבילה ABS.
    4. לנתק את החלקים המודפס של פלטפורמת ההדפסה של 3D-המדפסת. הסר את מבנה התמיכה מודפסים החלקים המוגמר.
      הערה: המבנה התומך הוא תוכנן על ידי התוכנה המיוחדות למדפסת להשתמש כדי להמיר. לקבצים STL, מודל ההוראה הפעלה להגדיר עבור תלת-ממד-המדפסת. הסכום של המבנה של החומר תמיכה עשויות להשתנות בהתבסס על התוכנה ששימשה.
    5. להחליק את הרכיבים המודפס על-ידי מלטש מכל קצוות באמצעות נייר זכוכית. לקבלת תוצאות מיטביות, השתמש בנייר זכוכית עם חצץ בגודל של 220. ודא שכל הרכיבים פועלים חלקה לפני הרכבת.
    6. ודא כי כל חלקי שבע הודפסה.
      הערה: חלקים אלה קיבלו את שמם הבאים: (I) מחבר מנוע, (II) הנוסע, (III) סוף להפסיק, פלטפורמה מזרק (IV), קלאמפ מזרק (V), (VI) מזרק הבוכנה מחבר זכר וטעינה (VII) מזרק הבוכנה מחבר הנקבה. הספרה הרומית עבור כל אחד מהרכיבים נקראת איור2 א. רשימה מפורטת של החלקים להרכבת נמצא על השולחן של חומרים.
  2. להרכיב את משאבת מזרק (איור 2)
    1. הדקי המנוע stepper אל מוט הברגה באמצעות מוט מנוע מצמד גמיש ציר z עם ערכת ברגים. לפני שתמשיך, ודא כי סיבוב הכוננים המנוע פיר stepper את רוד משורשרות ללא החלקה.
    2. להתחבר פלטפורמת מזרק המחבר מנוע בהקשת בחוזקה יתדות חיבור של הפלטפורמה מזרק לתוך החורים ההזדווגות על המחבר מוטוריים.
    3. לצרף את החלק שהורכב בשלב 1.2.1 עם החלק בשלב 1.2.2 מאת והידק את ארבעת הברגים 16 מ מ דרך המחבר מוטוריים.
    4. להוסיף שני כדורים ליניארי, אגוז hex 0.8 מ מ לתוך הפתחים ממוקם בתחתית לדחוף את הנוסע.
    5. יישר את רוד משורשרות במחבר מוטוריים דרך האגוז hex 0.8 מ מ בלדחוף את הנוסע.
    6. הכנס את שני המוטות לינארית דרך לדחוף את הנוסע, המחבר מוטוריים.
    7. מקום שני אגוזים הקסדצימאלי ברווחים משושה של היצירה מחבר מנוע, ולאחר מכן להשתמש שני הברגים 16 מ מ להדק את החיבורים, אבטחת המוטות ליניארי לנוע.
    8. הכנס את מיסב כדורי לתוך הפתח האמצעי של התחנה הסופית.
    9. להתחבר התחנה הסופית עם הרכיבים שהורכב מ שלב 1.2.7.
    10. המקום אגוזים הקסדצימאלי שני ברווחים משושה של הסוף לעצור את היצירה, ולאחר מכן השתמש שני הברגים 16 מ מ להידוק הקשרים להצמיד התחנה הסופית לאסיפה.
    11. לצרף את החתיכה מחבר הנקבה משאבת מזרק היצירה לדחוף הנוסע באמצעות שני אגוזים נעל פלדה ושני הברגים 16 מ מ.
    12. במקום מזרק 10 מ"ל על המשאבה. ודא ראש הבוכנה מיושר לתוך החריץ של היצירה מחבר הנקבה משאבת מזרק העליון של החבית המזרק הוא קבוע לתוך החריץ של המחבר מוטוריים.
    13. הכנס מזרק הבוכנה זכר מחבר היצירה למחבר נקבה משאבת מזרק. ודא כי יש התאמה. הדוקה בין הרכיבים זכר ונקבה, אבטחת הבוכנה במקום.
    14. לחבר את המלחציים מזרק פלטפורמת מזרק באמצעות שני אגוזים הקסדצימאלי שני הברגים 35 מ מ, הבטחת שהחבית המזרק הוא קבוע לתוך החריץ של המלחציים מזרק.

2. Microfluidic התקן הכנה

  1. לפברק בתבניות בסיס באמצעות פוטוליתוגרפיה
    הערה: נוהל המפרט את עיצוב, ייצור של מאסטר ליציקות ייצור המכשיר microfluidic ניתן למצוא ספרות הקודם12.
    1. שימוש בתוכנה תכנון המועדפת בעזרת מחשב (CAD), ליצור את השרטוטים הדרושים ל- photomask ולהדפיס אותו על צלחת זכוכית או קוורץ.
      הערה: חומרים אחרים עשוי להיות מקובל על פי דרישות של aligner המסכה בשימוש. ההדפסה של אלה photomasks הושלמה בדרך כלל על-ידי ספק חיצוני.
    2. להשתמש בשיטות פוטוליתוגרפיה ליצירת תבנית בסיס photomask. בצע הליך זה בסביבת חדר נקי.
    3. חושפים את העובש מאסטר מפוברק לגז fluorosilane ב desiccator ואקום.
      הערה: תהליך זה מקלה על שחרורו של polydimethylsiloxane (PDMS) מ כייר האב כאשר בדיית microfluidic התקנים. כדי להתייחס כייר מאסטר, להוסיף 3 טיפות fluorosilane גביע ולמקם את הספל בתוך תא ואקום.
    4. להחיל שואב אבק עבור 1 מינימלית קרוב תא ואקום אבל מאסטר העובש בבית הבליעה למשך 30 דקות לאפשר בתצהיר של fluorosilane. כאמצעי בטיחות, ביצוע הליך זה ברדס fume להגביל חשיפה לאדים מסוכנים fluorosilane.
  2. לפברק מכשירים PDMS
    1. שוקלים הפולימר טרום PDMS בסירה השקילה. למרות העובי הרצוי של המכשיר PDMS הסופי עשוי להשתנות, 30 גרם של פולימר קדם עובד היטב עבור מאסטר עובש של 100 מ מ קוטר.
    2. למדוד ולהוסיף סוכן ריפוי ב- 1:10 יחס הפולימר מראש. תבנית בסיס של 100 מ מ קוטר, הוסיפו דור 3 של סוכן ריפוי.
    3. מערבבים היטב את הסוכן פולימר קדם, ריפוי ביד באמצעות מרית חד פעמיות. לאחר 30 s, בדוק כי שם הם קטנים, מופרדים בקביעות בועות אוויר בפתרון, המציינת את הפולימר קדם וריפוי סוכנים הם מעורבים היטב.
    4. למקם את העובש מאסטר צלחת תרבות, בזהירות שופכים את התערובת PDMS על גבי בסיס העובש.
      הערה: העובי הרצוי של המכשיר PDMS עשויים להשתנות בהתאם היישום שלה.
    5. דגה את התערובת, desiccator ואקום עבור מר 1 ודא כי אין בועות הן נצפות בתוך התערובת. אם יש בועות הנוכחי, לשחרר את הלחץ ואקום במהירות, ולאחר מכן החל מחדש ואקום. לאפשר את התערובת לשבת לפחות 10 דקות לאחר הליך זה.
    6. להעביר את התערובת PDMS תנור להגדיר ב- 90 ° C. לאפשר את התערובת לרפא למשך 30 דקות.
    7. הסר את PDMS כייר מאסטר. חותכים את PDMS הממדים הרצויים באמצעות סכין גילוח. ללבוש כפפות כדי להגביל את החשיפה PDMS מזהמים.
    8. מנקבים חורים עבור יציאות כניסת ולשקע עם מחט שחולק 23 גרם. כדי להקל על תהליך זה, קובץ המחט עם קובץ מתכת או נייר זכוכית כדי לחדד את הקצוות בוטה. ודא כי הצילינדר punctuated של PDMS הוסר מן המחט לאחר כל ניקוב.
      הערה: מחטים עם גדלים שונים יכול לשמש עבור ניקוב חורים. ודא הגודל מעט יותר גדול מאשר המחטים בשימוש בשלב 3 של פרוטוקול זה.
    9. רוחצים את PDMS עם מים מסוננים יונים את מילה נהדרת של PDMS שימוש במקור האוויר או חנקן מצויד במסנן 0.2 µm.
      הערה: הלחץ המדויקת אינה קריטית, מקור גז דחוס מהמערכת המרכזית של בניין עובד היטב עבור שלב זה.
    10. מצע כיסוי זכוכית בורוסיליקט מס ' 1 עם חומרים פעילי שטח, כמו חומר ניקוי אבקת, ונקי מילה נהדרת באמצעות מקור נשוף אוויר מצויד במסנן 0.2 µm. לנקותו ביסודיות כפי כיסוי זכוכית לעיתים קרובות מצופה חומר סיכה הידרופובי, אין אפשרות לאגד אל PDMS, אלא אם כן זה כראוי ינוקו.
    11. באמצעות הקלטת רגיש ללחץ, נוגעים בעדינות את PDMS כדי להסיר את כל האבק שיורית. כדי להבטיח שהתכונות עי לא נחשפו, אין להקיש עם כמויות גדולות של כוח על הקלטת.
    12. למקם את המכשיר PDMS, זכוכית מכסה נקי לתוך פלזמה חמצן המנקה מינימלית 1 ודא הצבע מן החדר נקי פלזמה מגנטה בהיר במהלך התהליך. ודא כי המכשיר PDMS יש תכונות עי שלו חשופה, פנים כלפי מעלה, ב הפלזמה מנקה.
    13. לקחת את PDMS ואת הזכוכית המכסה של פלזמה מנקה ולמקם את כיסוי הזכוכית, פנים כלפי מטה, לתוך ההתקן PDMS.
      הערה: זה יגרום הזכוכית המכסה, את PDMS להתחבר באופן כמעט מיידי. אם הכריכה אינה גלויה, לחץ בעדינות את הכוס לכסות PDMS בקטע של PDMS ללא תכונות מעוצבת. זה אמור לגרום מליטה להתרחש בין הזכוכית המכסה את PDMS.
    14. לשים את המכשיר PDMS בתנור ב 90 מעלות צלזיוס במשך לפחות 12 שעות על מנת להבטיח את PDMS, הזכוכית המכסה היטב bonded.

3. מכלול המערכת משאבת מזרק משוב מבוקר

  1. להסיר את הכמות המתאימה של אורך הבידוד חוט ו מיגון של הכבל חשמל של חיישן הלחץ באמצעות סכין גילוח. להיות עדין בעת חיתוך כדי להבטיח שהחוטים לא נחשפו מעל לאורך הרצוי. פעם יוסרו הבידוד ו מיגון, חבר את החוטים למחברי מלבני זכר.
  2. שימוש בגישה דומה לשלב הקודם, הסר 1-2 ס מ של חוט הבידוד מהפניות של מנוע stepper וחבר חוטי החשמל למחברים מלבני זכר.
  3. מוספית המזרק לצד מפרץ צר של החיישן לחץ. להתחבר מחט שחולק 22 גרם לצד עודפים של החיישן לחץ.
  4. להחליק קצה אחד של 0.51 ס"מ קוטר אבובים על המחט שחולק 22 גרם מחובר החיישן לחץ.
  5. להחליק את הקצה השני של 0.51 ס"מ קוטר אבובים על מחט שחולק 22 גרם, יכולים להיות מחוברים למכשיר microfluidic. לחבר את המחט אל הנמל כניסת של המכשיר microfluidic.
  6. התחבר יציאת עודפים של מכשיר microfluidic מאגר לסילוק פסולת באמצעות מחט 22 גרם 0.51 ס"מ קוטר אבובים, דומה לזה החיבור של היציאה כניסת.
  7. להרכיב את המעגל האלקטרוני על קרש חיתוך שטנץ ללחם על פי הדיאגרמה באיור3.
    הערה: זו בממרח מגישה להתנות את אות חיישן הלחץ יהיה פיקוח על ידי מיקרו-בקר. בקרים תואם אחרים עשוי לשמש כדי לנטר את האות חיישן הלחץ.
  8. חבר את החוטים מן המנוע stepper עם הנהג מנועים stepper. חבר את החוטים של חיישן הלחץ ואת הנהג מנועים stepper עם בממרח לפי התוכניות באיור3. החוטים חשוף חיישן הלחץ ומסומנות בצבעים, צריכים להיות מחוברים כדלקמן: אדום צריך להתחבר V +, שחור מומלץ להתחבר V-, ירוק מומלץ להתחבר אות +, לבן מומלץ להתחבר האות-.
  9. לחבר את אות הפלט מ בממרח עם הפין קלט אנלוגי על מיקרו-בקר.
  10. לחבר את הסיכות קלט של הלוגיקה של מנהל ההתקן מנועים stepper עם סיכות דיגיטלי מיקרו-בקר. שלב הקלט על הנהג מנועים stepper מקושר עם נמל רוחב מאופנן (PWM) הדופק של הפינים דיגיטלית מיקרו-בקר, מסומן על ידי ' ~' סימן.
  11. לחבר את ספק הכוח בממרח על פי הדיאגרמה באיור3. הגדר את אספקת החשמל 10 V עבור בממרח והנהג מנועים stepper.

4. כיול חיישן לחץ

הערה: מבוסס על המגבר נבחר בעיתון הזה, הנוסחה כדי לחשב את הרווח הוא G = 5 + (200k/RG) עם RG = R1 ו- G = רווח מגבר. מגבר כאן הוא כ 606. ערך זה ניתן לשינוי על-ידי שינוי ההתנגדות המשמש עבור R1. בנוסף, רמת לוגיקה של הלוח מיקרו-בקר היא 5 V, מכשור הוא מופעל עם 10 V, מעגל פשוט מחלק מתח, R2, R3, משמש כדי להגן על האות הפלט אמור להיות לא יותר מ 5 V.

  1. הורד והתקן את הסביבה המתאימה פיתוח משולבת (IDE) עבור מיקרו-בקר.
  2. הורד את הקוד בקר שכותרתו 'Pressure_Sensing.ino' מקבצי משלים. השתמש באפשרות זו קוד הוא לרכוש את האות ללחץ של חיישני לחץ כפול.
    הערה: קוד מיקרו-בקר ובקר שמשמש בעיתון הזה כוללים סיכות קלט אנלוגי עם רזולוציה 10 סיביות אשר לקרוא האותות האנלוגיים חיישן הלחץ כל 200 ms כדי להניע את stepper מוטורס. המספר בכן analogRead() מקביל הסיכה קלט אנלוגי מחובר לאות פלט מן המעגל מחלק מתח במעגל חיישן הלחץ באיור3. המשתנה עיכוב מייצג את מרווח הזמן-אשר האות היא הילודה והפלט בהתאם, ב ms.
  3. החל לחצים ידוע לים של החיישן עם השקע כתרים, למדוד את אות הפלט המתקבל.
    הערה: שיטה פשוטה כדי לכייל את חיישן הלחץ משתמשת מאגר מים שהתקיים בגבהים שונים. הלחץ שנוצר הכבידה זוהה יאפשר אחד לכייל את חיישן הלחץ.
  4. להתוות את הדיאגרמה עם הלחץ כיול חלה (Pa) על ציר ה-x ואת הלחץ האות (V) על ציר-y כדי לקבל ערך מספרי של החיתוך-y.
  5. להחיל את הערך המספרי הזה בקוד בקר, כגון sensor1Offset ו- sensor2Offset המשתנים בקוד 'Dual_Pump_PID_Control.ino' של קבצים משלימה, כדי לכייל את ערך הלחץ במערכת בקרת משוב.

5. לכידת תמונות מהתקן ה-Microfluidic

  1. להתחבר עם מיקרו למחשב יחיד פנסיון פתוח באמצעות ממשק טורי כך התמונה שנתפסו על ידי המדידות לחץ גורמים מפעילים מיקרו-מחשב על ידי מיקרו.
  2. להתחבר מודול המצלמה שנעשו במחשב יחיד פנסיון לאחד העין-פיסות stereomicroscope. כאן, 20 X הגדלה משמש לשיקוף המכשירים microfluidic.

6. שליטה בלחץ צנתרים

  1. פתח את ה-IDE עבור מיקרו-בקר קוד פתוח. הורד את Timer.h13 של ספריות14 AccelStepper.h של מיקרו-בקר IDE הספריה בספריה.
  2. הורד את הקוד בקר שכותרתו 'Dual_Pump_PID_Control.ino' מתוך קבצי משלימה. קוד זה משמש כדי לשלוט במערכת משאבת מזרק שבשליטת משוב עם שתי משאבות.
  3. תוכנית הקוד בקר כך שיתאים להיות נערך. לשנות את הפרמטרים שליטה או את פרמטרי תזמון כדי להתאים את התגובה הרצויה והמשך של הניסוי. להדר ולהעלות את הקוד מיקרו-בקר לפני הפעלת הניסוי.
    הערה: בקוד בקר, setPoint1/2 ערכי משמשים כדי לשנות את רמת הלחץ, stepper1/2Out ערכי משמשים כדי לכוונן את מהירות המשאבה. לאחרונה שני הערכים בעמודה stepper1/2 AccelStepper תואמים מספר היציאה על מיקרו-בקר. המשתנה milliTiming מכתיבה את התדירות של קריאת האות האנלוגי של חיישני הלחץ ומכתיב המשתנה printTiming התדירות של פלט מהירות וערכי לחץ לצג טורי לבדיקה. כל היחידות הם גב' שהמשתנה maxError נקבע מרמת לוגיקה של הלוח מיקרו-בקר. ערך של 5 משמש כאן גם מיקרו-בקר ב פרוטוקול זה 5 V.
  4. הפעל את אספקת החשמל עבור מערכת משאבות מזרק. הגדר את המתח 10 V עבור מנועים stepper הזרם.

7. כוונון הפרמטרים PID בבקר

הערה: ערכי פרמטר בקר אידיאלי עשוי להשתנות בהתאם ליישום ואת הגיאומטריה התקן microfluidic. לדוגמה, עבור לטווח ארוך לחקר (בשעות), נמוך יותר ביחס קבוע (Kp) עשוי להיות עדיף לצמצם להחטיא על חשבון זמן התגובה. יתרונות וחסרונות אלה תלויות ניסיוני תנאים ויעדים.

  1. מנגינה של הבקר, באמצעות גישה ידנית, על-ידי התאמת הראשון הקבוע פרופורציונלית (Kp) כדי לשפר את זמן התגובה של פונקציית מדרגות.
    הערה: למרות גישות אלגוריתמית עשוי להיות ידני משומש, כוונון עבודות עבור היישומים microfluidic באיור הנייר הזה.
  2. בשלב הבא, לשנות את-אינטגרל (Ki) והפרמטרים (Kd) דיפרנציאלית כדי למזער את להחטיא ולהבטיח את יציבות קבע-נקודה.
  3. הגדר את ערכי PID עבור המשתנים Kp, קי, Kd בקוד בקר של קבצים משלימה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור הבנייה של מזרק שבשליטת משוב משאבת המערכת ומדגימים ושימושיה הפוטנציאליים עבור יישומים microfluidic. איור 1 מציג את מערכת מחוברת משאבת מזרק, חיישן הלחץ, התקן microfluidic, מיקרו-בקר, מעגל חיישן הלחץ, ו stepper מנוע הנהג. נתונים היסטוריים והסברים על מכלול משאבת מזרק מוצגים באיור 2, המעגל האלקטרוני סכימטי על חש לחץ מוצג באיור3. התהליך של כוונון הפרמטרים השליטה מוצג באיור4. לבסוף, תוצאה נציג של שליטה כניסת הלחץ במכשיר שני-כניסת בצורת Y microfluidic מוצג באיור5.

Figure 1
איור 1: התקנה של מערכת משאבת מזרק שבשליטת משוב. תמונה זו מציגה את ההתקנה של מערכת משאבת מזרק. המזרק מכיל את הפתרון עבור הזרקה, הוא actuated מאת משאבת מזרק מודפס 3D. כ א החיישן לחץ piezoresistive מקושר עם B. משאבת מזרק וג '. המכשיר microfluidic, הלחץ של המכשיר הוא זוהה והוסב אות חשמלי עד ד'. מעגל חיישן הלחץ עם מגבר מכשור פעם הנוזל מועבר דרך הצנרת. האות חיישן הלחץ נקרא על ידי אי מיקרו פתוח הלוח אשר ולאחר מכן מעביר את אות פ הצורך הנהג מנועים stepper כדי לשלוט על הופעה של המשאבה מזרק. ג אספקת חשמל ו ה מחשב נייד יש צורך להפעיל ולתכנת את המערכת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: הרכבה צילום עבור המשאבה מודפס 3D מזרק. איור זה מציג את הוראות שלב אחר שלב ההרכבה משאבת מזרק מודפס 3D, עם תמונות המתאים ההליך בשלב 1.2 של הפרוטוקול. א תמונה זו מציגה את החומרים לבניית מכלול משאבת מזרק. B. תמונה זו מציגה איך המנוע stepper מחובר את רוד משורשרות (שלב 1.2.1). ג. תמונה זו מציגה איך החלק מ שלב 1.2.1 של הפרוטוקול מחוברת לחלק מ שלב 1.2.2 של הפרוטוקול (שלב 1.2.3). ד תמונה זו מציגה את מכלול של היצירה לדחוף הנוסע (שלב 1.2.5). אי תמונה זו מציגה איך קשור התחנה הסופית (שלב 1.2.10). פ תמונה זו מציגה איך היצירה מחבר הנקבה הבוכנה המזרק מחובר הרכיבים שהורכב (שלב 1.2.11). ג'י תמונה זו מציגה את מכלול של היצירה מחבר זכר משאבת מזרק (שלב 1.2.13). ה תמונה זו מציגה איך המלחציים המזרק מחובר (שלב 1.2.14). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: איור המעגל חיישן מיקרו ובלחץ. המעגל מאפשרת לוח מיקרו-בקר כדי למדוד לחץ מוגבר אותות חיישן הלחץ. א זהו התמונה הרכבה של המעגל. B. איור זה מציג את פריסות מעגל. החוטים חשוף חיישן הלחץ ומסומנות בצבעים, צריכים להיות מחוברים כדלקמן: אדום צריך להתחבר V +, שחור מומלץ להתחבר V-, ירוק מומלץ להתחבר אות +, לבן מומלץ להתחבר האות-. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: כוונון בקרת פרמטרים של. בקר ה-PID המשמש לווסת את לחץ הנוזלים משאבת מזרק עשוי להיות מכוון על-ידי שינוי של יחסי (Kp), אינטגרל (Ki) ופרמטרים דיפרנציאלית (Kd). כאן, אנו מראים איך כוונון (באמצעות Kp) תסייע לצמצם את זמן התגובה. כוונון נוסף (באמצעות קי Kd) יכול לעזור כדי להבטיח יציבות setpoint ולהפחית להחטיא. ב פרוטוקול זה, בקרי מכוונים בעיקר באמצעות של ידני משפט-וטעיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: שליטה על כניסת הלחץ עבור התקן microfluidic זרימה שכבתית. מכשיר microfluidic בצורת Y מפוברק ביצוע שלבי ההליך המפורטים בשלב 2 של פרוטוקול זה. המכשיר כולל שתי יציאות כניסת ויציאת שקע אחד. שתי מערכות משאבת מזרק הם התאספו כדי לשלוט הלחצים מפרץ צר. לאחד המזרקים טעון עם הצבע הכחול, השני טעון עם מים. א את התמונות האלה של זרימת נוזלים כתוצאה מן הלחץ אותו שסופקו על-ידי שתי משאבות נלכדים באמצעות גישה מפורט בשלב 6 של פרוטוקול זה. B. איור זה מציג כיצד הלחצים כניסת מנוטרים ונשלט באמצעות בקר ה-PID מכוון באיור4. יכול להיות שנצפו הדבקות קרוב לנקודת קבע. קצר יותר (s), יותר זמן (h) ניסויים הראו תוצאות דומות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

. הנה, הצגנו עיצוב חדש עבור מערכת משאבת מזרק עם בקרת לולאה סגורה לחץ. דבר זה הושג על-ידי שילוב של משאבת מזרק מודפס 3D עם חיישן הלחץ piezoresistive, מיקרו של קוד פתוח. על ידי העסקת בקר PID, הצלחנו לשלוט על הלחץ כניסת ולספק זמני תגובה מהירים תוך בו-זמנית שמירה על היציבות על נקודה ערכה בדיוק.

ניסויים רבים באמצעות מכשירי microfluidic דורשים שליטה מדויקת fluidic ולנצל פרופיל זרימה שכבתית מאופיין היטב. איפה פרופיל זרימה יציבה חשובה דוגמאות ניסויים זה לחקור את מעברי צבע הגיאופוליטיות והמרחביות הטמפורלי של ריכוז15 וליצור בסיס fluidic מדויק עבור עוד ניתוח16. באמצעות בקר PID כדי לשמור על התגובה ביצועים גבוהים, המערכת המתוארות פרוטוקול זה מייצר את ויסות הזרימה ויציבות לטווח ארוך צריך להתעמק ניסויים אלה זרימה שכבתית.

עם זאת, חשוב להכיר כי microfluidic מכשירים וניסויים לערב אותם יש סטיות דקות והבדלים. למשל, גיאומטריות שונות microfluidic (ערוץ רוחב וגובה) המחייב פרופילים זרימה שונים. כתוצאה מכך, הפרמטרים עבור בקרי PID לכווננו בהתאם. בנוסף, ניסויים עשויות לדרוש תקנה חזק של טווחים לחץ. במקרים אלה, להחטיא הלחץ עשוי לא להיות מקובל. ככזה, הפרמטרים בקרת PID לכווננו כך להחטיא ממוזער, בדרך כלל על חשבון זמן התגובה.

עקב ההפקה בעלות נמוכה של מערכת זו משאבת מזרק, חוקרים צריך להיות מסוגל לפתח במהירות microfluidic ניסויים. העלות המשוערת עבור משאבת מזרק מודפס 3D, מיקרו-בקר ומעגל חיישן הלחץ הוא כ 130 דולר ארה ב. בניגוד חלופות זמינים מסחרית, כגון ממברנות recirculation משאבות, מערכת זו משאבת מזרק מספק פלטפורמה גמישה וישירה, אשר עשוי להיות מותאם למגוון רחב של שימושים מעבדה. אמנם, לא דנו כאן אסטרטגיות שליטה פשוטים יותר, כגון הבקר, בנג-בנג על עשוי לשמש ללימודי microfluidic לטווח ארוך. בנוסף, המערכות מזרק משאבה עשוי לשמש להחלת לחץ ואקום אמצעי שליטה.

מגבלה אחת פוטנציאלי של מערכת זו משאבת מזרק באמצעות בקר PID היא ההסתמכות על מתח קבוע. כי השיטה בקרת PID דורש את energization מתמדת של המנוע stepper, יש דרישה כוח גדול יחסית. לעומת זאת, הבקר בנג-בנג רק ממריצה את המנוע stepper כשצריך, משמעותית פחות אנרגיה. דרישה זו כוח עשוי להיות חמאני פיתוח מבנה הבקרה היברידית מיישם בקר PID להגיע בתחילה מגוון שנקבעה מראש-ולאחר מכן מבטל את ממריצה הגלילים מנועים stepper ברגע הערך לחץ הינו בתוך טווח קבע-נקודה נתונה. לחלופין, בקר-באנג פשוט עשוי לשמש גם כן.

בנוסף, מערכת זו משאבת מזרק מאפשר גמישות הביצועים ואת הבקרה על ידי שינוי גודל המנוע stepper והן את המזרק עצמה. בניסויים הקודמים, השתמשנו מזרקים של 1 מ"ל, 5 מ ל, 10 מ ל ו- 30 מ. באופן טבעי, כל משאבת מזרק המחייב שונה במקצת PID בבקר פרמטרים ותדרוש, לכן, כוונון תגובותיהם הפרמטר. עם זאת, גמישות זו מאפשרת למערכת משאבת מזרק שמתואר פרוטוקול זה לשמש במגוון יישומים.

יצוין, כי אזור משותף של כישלון microdevice היא חוסר יכולת להיקשר ביעילות את PDMS אל הזכוכית המכסה. עבור ייצור ההתקן microfluidic, הכוח של פלזמה מנקה צריך להיות מוטבת אם האיגוד אינו יעיל. כמו כן, בחומרי סיכה או זיהומים במשטח הזכוכית המכסה יש להסיר לפני לקשר כדי להבטיח קשר חזק עם PDMS. שטיפת והסרה ביסודיות כל האבק של הרכיב PDMS אמור לעזור כדי להבטיח שסגירה נוצר בין PDMS את הזכוכית.

מערכת משאבת מזרק נמוכים, מבוקר משוב המובאת כאן מאפשר לחוקרים לתפעל את הפרופיל נוזלים עם רמה גבוהה של יציבות באופן גמיש. על ידי שילוב של המודול חישה לחץ עם שיטות פשוטות של בקרת PID, המערכת היא לספק בקרת ביצועים גבוהים מונחה לחץ זרימה. כלי זה יכול להיות מיושם באופן נרחב על פני תחומי מחקר רבים היכן מיקרופלואידיקה כלים נמצאים בשימוש.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים להכיר תמיכה של המשרד של המחקר הימי פרסים N00014-17-12306 ו- N00014-15-1-2502, כמו גם של חיל האוויר Office של המחקר המדעי פרס FA9550-13-1-0108 ו את מענק קרן המדע הלאומית מס 1709238.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Arduino IDE Arduino.org Arduino Uno R3 control software
Header Connector, 2 Positions Digi-Key WM4000-ND
Header Connector, 3 Positions Digi-Key WM4001-ND
Header Connector, 4 Positions Digi-Key WM4002-ND
Hook-up Wire, 22 Gauge, Black Digi-Key 1528-1752-ND
Hook-up Wire, 22 Gauge, Blue Digi-Key 1528-1757-ND
Hook-up Wire, 22 Gauge, Red Digi-Key 1528-1750-ND
Hook-up Wire, 22 Gauge, White Digi-Key 1528-1768-ND
Hook-up Wire, 22 Gauge, Yellow Digi-Key 1528-1751-ND
Instrumentation Amplifier Texas Instruments INA122P
Microcontroller, Arduino Uno R3 Arduino.org A000066
Mini Breadboard Amazon B01IMS0II0
Power Supply BK Precision 1550
Pressure Sensor PendoTech PRESS-S-000
Rectangular Connectors, Housings Digi-Key WM2802-ND
Rectangular Connectors, Male Digi-Key WM2565CT-ND
Resistors, 10k Ohm  Digi-Key 1135-1174-1-ND
Resistors, 330 Ohm  Digi-Key 330ADCT-ND
Stepper Motor Driver, EasyDriver Digi-Key 1568-1108-ND
USB 2.0 Cable, A-Male to B-Male Amazon PC045
3D Printed Material, Z-ABS  Zortrax A variety of colors are available
3D Printer Zortrax M200 Printing out the syringe pump components
Ball Bearing, 17x6x6mm Amazon B008X18NWK
Hex Machine Screws, M3x16mm  Amazon B00W97MTII
Hex Machine Screws, M3x35mm  Amazon B00W97N2UW
Hex Nut, M3 0.5  Amazon B012U6PKMO
Hex Nut, M5  Amazon B012T3C8YQ
Lathe Round Rod Amazon B00AUB73HW
Linear Ball Bearing Amazon B01IDKG1WO
Linear Flexible Coupler Amazon B010MZ8SQU
Steel Lock Nut, M3 0.5 Amazon B000NBKLOQ
Stepper Motor, NEMA-17, 1.8o/step Digi-Key 1568-1105-ND
Syringe, 10mL, Luer-Lok Tip BD 309604
Threaded Rod Amazon B01MA5XREY
1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane FisherScientific AAL1660609
Camera Module Raspberry Pi Foundation V2
Compact Oven FisherScientific PR305220G Baking PDMS pre-polymer mixture and the device
Dispensing Needle, 22 Gauge McMaster-Carr 75165A682
Dispensing Needle, 23 Gauge McMaster-Carr 75165A684
Fisherbrand Premium Cover Glasses FisherScientific 12-548-5C
Glass Culture Petri Dish, 130x25mm American Educational Products 7-1500-5
Plasma Cleaner Harrick Plasma PDC-32G Binding the cover glass with the PDMS device
Razor Blades FisherScientific 7071A141 
Scotch Magic Tape Amazon B00RB1YAL6
Single-board Computer Raspberry Pi Foundation Raspberry Pi 2 model B
Smart Spatula FisherScientific EW-06265-12
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit FisherScientific NC9644388
Syringe Filters Thermo Scientific 7252520
Tygon Tubing ColeParmer  EW-06419-01
Vacuum Desiccator FisherScientific 08-594-15C Degasing PDMS pre-polymer mixture and coating fluorosilane on the master mold
Weighing Dishes FisherScientific S67090A

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
  2. Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (9), 554-567 (2015).
  3. Prakadan, S. M., Shalek, A. K., Weitz, D. A. Scaling by shrinking: empowering single-cell 'omics' with microfluidic devices. Nature Reviews Genetics. 18 (6), (2017).
  4. Kim, Y., Langer, R. Microfluidics in nanomedicine. Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine. 1, 127-152 (2015).
  5. Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
  6. Skafte-Pedersen, P., Sabourin, D., Dufva, M., Snakenborg, D. Multi-channel peristaltic pump for microfluidic applications featuring monolithic PDMS inlay. Lab on a Chip. 9 (20), 3003-3006 (2009).
  7. Heo, Y. J., Kang, J., Kim, M. J., Chung, W. K. Tuning-free controller to accurately regulate flow rates in a microfluidic network. Scientific Reports. 6, 23273 (2016).
  8. Kuczenski, B., LeDuc, P. R., Messner, W. C. Pressure-driven spatiotemporal control of the laminar flow interface in a microfluidic network. Lab on a Chip. 7 (5), 647-649 (2007).
  9. Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), (2017).
  10. Kong, D. S., et al. Open-source, community-driven microfluidics with metafluidics. Nature Biotechnology. 35 (6), 523-529 (2017).
  11. Wijnen, B., Hunt, E. J., Anzalone, G. C., Pearce, J. M. Open-source syringe pump library. PLoS One. 9 (9), e107216 (2014).
  12. Ferry, M. S., Razinkov, I. A., Hasty, J. Microfluidics for synthetic biology: from design to execution. Methods in Enzymology. , 295-372 (2011).
  13. Christensen, J. Arduino Libraries for Timer.h. , Available from: https://github.com/JChristensen/Timer (2018).
  14. Adafruit Industries. Arduino Libraries for AccelStepper.h. , Available from: https://github.com/adafruit/AccelStepper (2018).
  15. Lin, F., et al. Generation of dynamic temporal and spatial concentration gradients using microfluidic devices. Lab on a Chip. 4 (3), 164-167 (2004).
  16. Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).

Tags

בביו-הנדסה גיליון 138 הדפסת תלת-ממד לולאה סגורה משוב שליטה בעלות נמוכה מיקרופלואידיקה ויסות לחץ משאבות מזרק
תלת מימדי הדפסה של חומרים תרמופלסטיים כדי ליצור אוטומטית משאבות מזרק עם בקרת משוב עבור יישומים Microfluidic
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chen, M. C., Lake, J. R., Heyde, K.… More

Chen, M. C., Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications. J. Vis. Exp. (138), e57532, doi:10.3791/57532 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter