Summary
Aqui nós apresentamos um protocolo para construir uma bomba de seringa pressão controlada para ser usado em aplicações de microfluidic. Esta bomba de seringa é feita de um corpo aditivamente manufacturado, prateleira hardware e eletrônica de código-fonte aberto. O sistema resultante é simples de construir, de baixo custo e proporciona o fluxo de fluido bem regulado para habilitar a pesquisa rápida microfluidic.
Abstract
Microfluídica tornou-se uma ferramenta fundamental na pesquisa através da biológica, química e ciências físicas. Um importante componente de experimentação microfluídicos é um fluido estável sistema capaz de fornecer com precisão uma taxa de fluxo de entrada ou a pressão de entrada de manipulação. Aqui, nós desenvolvemos um sistema de bomba de seringa, capaz de controlar e regular a pressão do fluido de entrada entregues a um dispositivo microfluidic. Este sistema foi projetado usando materiais de baixo custo e princípios de fabricação aditiva, alavancando tridimensional (3D) impressão de materiais termoplásticos e componentes prontos para uso sempre que possível. Este sistema é composto de três componentes principais: uma bomba de seringa, um transdutor de pressão e um microcontrolador programável. Dentro deste papel, detalhamos um conjunto de protocolos para fabricação, montagem e programação deste sistema de bomba de seringa. Além disso, incluímos resultados representativos que demonstram alta-fidelidade, controle de gabarito da pressão de entrada usando este sistema. Esperamos que este protocolo permitirá que pesquisadores fabricar sistemas de bomba de seringa de baixo custo, reduzindo a barreira de entrada para o uso de microfluídica em biomédicas, químicas e pesquisa de materiais.
Introduction
Microfluidic ferramentas tornaram-se úteis para os cientistas em pesquisas biológicas e químicas. Devido a utilização de baixo volume, capacidades de medição rápida e perfis de fluxo bem definido, microfluídica ganhou tração em genomic e proteomic pesquisa, seleção da elevado-produção, diagnóstico médico, nanotecnologia e unicelulares análise1,2,3,4. Além disso, a flexibilidade do projeto de dispositivo microfluidic prontamente permite pesquisa de ciência básica, como investigar a spatiotemporal dinâmica do culto de colônias bacterianas5.
Muitos tipos de sistemas de injeção de fluido foram desenvolvidos para fornecer com precisão o fluxo para dispositivos microfluídicos. Peristáltica exemplos de tais sistemas de injeção e bombas de recirculação6, sistemas de controle de pressão7e bombas de seringa8. Estes sistemas de injeção, incluindo bombas de seringa, muitas vezes são compostos de componentes de precisão caro de engenharia. Aumentar esses sistemas com controle de gabarito de loop fechado de pressão no fluxo de saída aumenta o custo destes sistemas. Em resposta, anteriormente desenvolvemos um sistema de bomba de seringa robusto e de baixo custo que usa o controle de gabarito de loop fechado para regular a pressão de fluxo outputted. Usando o controle de pressão do circuito fechado, a necessidade de componentes de engenharia de precisão caros é revogada9.
A combinação de hardware de impressão 3D acessível e um crescimento significativo no software de código-fonte aberto associado fez o projeto e fabricação de dispositivos microfluídicos cada vez mais acessível aos investigadores de uma variedade de disciplinas10. No entanto, os sistemas utilizados para fluido de movimentação através destes dispositivos continuam caros. Para atender a esta necessidade de um sistema de controle de fluido de baixo custo, desenvolvemos um projeto que pode ser fabricado por pesquisadores no laboratório, exigindo apenas um pequeno número de etapas de montagem. Apesar de seu baixo custo e simples assembly, este sistema pode fornecer o controle preciso de fluxo e fornece uma alternativa aos sistemas de bomba de seringa comercialmente disponíveis, de loop fechado, que pode ser proibitivamente caro.
Aqui, nós fornecemos os protocolos para a construção e uso do fechado-loop controlado desenvolvemos (Figura 1) do sistema de bomba de seringa. O sistema de tratamento de fluido é composto por uma bomba de seringa físico inspirada por um anterior estudo11, um microcontrolador e um sensor de pressão piezoresistivo. Quando montado e programado com um controlador de (PID) proporcional-integral-Derivativo, o sistema é capaz de fornecer um fluxo bem regulado, controlado por pressão para dispositivos microfluídicos. Isto fornece uma alternativa de baixo custo e flexível para produtos comerciais de alto custo, permitindo que um grupo mais amplo de pesquisadores usar microfluídica em seu trabalho.
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Protocol
1. 3D-impressão e montagem de bomba de seringa
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Preparar e 3D-imprimir a seringa da bomba componentes
- Baixar o. Arquivos de projeto STL dos Arquivos complementares deste papel.
Nota: Há seis anos. Arquivos STL, intitulados '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', e ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.STL', nos arquivos suplementares. Esses arquivos correspondem aos componentes 3D-impresso da bomba de seringa. - Prepare-se, abrindo-os em um pacote de software dedicado para a conversão desses arquivos para impressão. Arquivos de modelo STL para conjuntos de instruções executáveis para o 3D-impressora sendo usada. Certifique-se de que o software apropriado está sendo usado como algumas impressoras exigirá software proprietário, enquanto outros podem ser capazes de imprimir directamente a partir do. Arquivo STL.
- Imprima as peças de plástico usando acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) com uma configuração de impressora 3D de alta qualidade. Se estão sendo usados outros materiais comuns de impressão 3D, tais como o ácido polilático (PLA) ou outros Elastômeros termoplásticos, certifique-se que as propriedades mecânicas acabadas (por exemplo, elasticidade, força de rendimento) são comparáveis ao ABS.
- Separe as peças impressas da plataforma de impressão da impressora-3D. Remova as peças acabadas, a estrutura de suporte impressa.
Nota: A estrutura de suporte é projetada pelo software específicas da impressora usado para converter o. Arquivos de modelo STL para a instrução executável definem para a impressora 3D. A quantidade e a estrutura do suporte material podem variar com base no software usado. - Alise os componentes impressos por lixar quaisquer arestas usando a lixa. Para melhores resultados, use uma lixa com um tamanho de grão de aproximadamente 220. Certifique-se de todos os componentes são lisos antes de montar.
- Certifique-se de que todas as sete partes foram impressos.
Nota: Essas peças foram nomeadas os seguintes: (I) conector do Motor, (II) viajante empurrar, (III) fim parar, plataforma de seringa (IV), (V) seringa braçadeira, conector macho de êmbolo de seringa (VI) e conector fêmea de êmbolo de seringa (VII). O numeral romano para cada componente é referido na Figura 2A. Uma lista detalhada das peças mecânicas para a montagem é encontrada na Tabela de materiais.
- Baixar o. Arquivos de projeto STL dos Arquivos complementares deste papel.
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Montar a bomba de seringa (Figura 2)
- Fixe o motor de passo para uma haste rosqueada usando um motor eixo acoplador flexível eixo z com parafusos de fixação. Antes de continuar, certifique-se que as unidades de eixo do motor deslizante de giro a haste roscada sem deslizamento.
- Conectar-se a plataforma de seringa ao conector do motor pressionando firmemente pinos de conexão da plataforma seringa nos furos acasalamento em cima do conector do motor.
- Fixe a parte montada na etapa 1.2.1 com a parte na etapa 1.2.2 por fixação quatro parafusos de 16mm através do conector do motor.
- Insira dois rolamentos de esferas lineares e uma porca sextavada de 0,8 mm os orifícios localizados na parte inferior da estratégia de viajante.
- Alinhe a haste roscada no conector de motor através da porca sextavada de 0,8 mm em empurrar o viajante.
- Inserir os dois eixos lineares através de empurrar o viajante e o conector do motor.
- Coloque duas porcas sextavadas nos espaços hexagonais da peça de ligação do motor e em seguida, use dois parafusos de 16mm para apertar as conexões, protegendo os eixos lineares de mover-se.
- Introduza o rolamento de esferas a abertura média de paragem final.
- Conectar-se a fim de parar com os componentes montados da etapa 1.2.7.
- Lugar duas porcas sextavadas nos espaços hexagonais do fim Parem a peça e em seguida, use dois parafusos de 16mm para apertar as conexões a aposição de paragem final na Assembleia.
- Prenda a peça de conector fêmea de êmbolo de seringa á empurrar ao viajante usando duas porcas de aço e dois parafusos de 16mm.
- Coloque uma seringa de 10ml na parte superior da bomba. Certifique-se a cabeça do êmbolo está alinhada para o entalhe da parte de conector fêmea do êmbolo da seringa e o topo do barril da seringa é fixo na ranhura do conector do motor.
- Insira o conector fêmea de êmbolo de seringa, a peça de conector macho de êmbolo de seringa. Certifique-se de que há um ajuste apertado entre os componentes masculinos e femininos, protegendo o êmbolo no lugar.
- Conecte a pinça seringa para a plataforma de seringa usando duas porcas sextavadas e dois parafusos de 35 mm, garantindo que o barril da seringa é fixo na ranhura da mordaça seringa.
2. preparação do dispositivo Microfluidic
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Fabricar moldes mestre usando fotolitos
Nota: Um procedimento detalhando o projeto e fabricação de moldes mestre para fabricação de dispositivos microfluídicos pode ser encontrado no anterior literatura12.- Usando o software preferencial desenho assistido por computador (CAD), criar os desenhos necessários para um Fotomáscara e imprimi-lo em uma placa de vidro ou quartzo.
Nota: Outros materiais podem ser aceitáveis com base nos requisitos do alinhador de máscara usada. A impressão destas máscaras normalmente é completada por um fornecedor de terceiros. - Use métodos de fotolitos para criar um molde mestre da Fotomáscara. Execute esse procedimento em um ambiente de sala limpa.
- Expor o molde mestre fabricado para um vapor de fluorosilane num exsicador de vácuo.
Nota: Este processo facilita a libertação de polidimetilsiloxano (PDMS) do molde mestre quando fabricar dispositivos microfluídicos. Para tratar o molde mestre, adicione três gotas de fluorosilane para um copo e coloque o copo em uma câmara de vácuo. - Aplicar um vácuo de 1 min. perto da câmara de vácuo, mas manter o molde mestre na câmara por 30 min permitir a deposição de fluorosilane. Como uma precaução de segurança, execute esse procedimento em uma coifa para limitar a exposição ao vapor a fluorosilane perigosa.
- Usando o software preferencial desenho assistido por computador (CAD), criar os desenhos necessários para um Fotomáscara e imprimi-lo em uma placa de vidro ou quartzo.
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Fabricar engenhos PDMS
- Pese o pré-polímero PDMS em um barco de pesar. Embora a espessura desejada do dispositivo final PDMS pode variar, 30 g de pré-polímero funciona bem para um mestre de molde de 100 mm de diâmetro.
- Medir e adicionar um agente de cura em um 01:10 relação ao pré-polímero. Para um molde mestre de 100 mm de diâmetro, adicione 3 g de um agente de cura.
- Misture vigorosamente o agente de pré-polímero e curando à mão usando uma espátula descartável. Após 30 s, verifique se existem pequenas, regularmente separados as bolhas de ar na solução, indicando o pré-polímero e agentes de cura são bem misturados.
- Coloque o molde mestre em uma placa de cultura e com cuidado, despeje a mistura PDMS em cima do molde mestre.
Nota: A espessura desejada do dispositivo PDMS pode variar dependendo de sua aplicação. - Desgaseifica a mistura num exsicador de vácuo para 1hr. Certifique-se de que não há bolhas são observáveis dentro da mistura. Se houver quaisquer bolhas presentes, liberar a pressão do vácuo rapidamente e então reaplicar um vácuo. Permita que a mistura descansar pelo menos 10 min após este procedimento.
- Mover a mistura PDMS para um forno a 90 ° C. Deixe a mistura curar durante 30 min.
- Retire o molde mestre o PDMS. Corte o PDMS nas dimensões desejadas usando uma lâmina de barbear. Use luvas para limitar a exposição a contaminantes PDMS.
- Buracos para portas de entrada e saída, com uma agulha aplicadora de 23 G. Para facilitar este processo, arquivo a agulha com um arquivo de metal ou uma lixa para afiar as extremidades sem corte. Certifique-se de que o cilindro pontuado de PDMS é retirado a agulha após cada punção.
Nota: Agulhas com tamanhos diferentes podem ser usadas para perfurar buracos. Certifique-se que o tamanho é ligeiramente maior do que as agulhas usadas na etapa 3 do presente protocolo. - Lave o PDMS com água desionizada filtrada e secar o PDMS usando uma fonte de ar ou nitrogênio, equipada com um filtro de 0,2 µm.
Nota: A pressão exata não é crítica, e uma fonte de gás pressurizado do sistema central do edifício funciona bem para essa etapa. - Limpar um substrato de vidro borosilicato n º 1 com um surfactante, tais como um detergente em pó e secá-lo usando uma fonte de ar pressurizado, equipada com um filtro de 0,2 µm. Limpe-a completamente como tampa vidro frequentemente é revestido com um lubrificante hidrofóbico e é incapaz de ligar a PDMS, a menos que está devidamente limpo.
- Usando fita sensível à pressão, toque levemente o PDMS para remover qualquer poeira residual. Para garantir que as características moldadas não estão comprometidas, não pressione com grandes quantidades de força na fita.
- Coloque o dispositivo PDMS e um vidro de tampa limpo em um plasma de oxigênio líquido de limpeza de 1 min. Verifique a cor da câmara de plasma líquido de limpeza é magenta brilhante durante o processo. Certifique-se de que o dispositivo PDMS tem suas características moldadas expostas, viradas para cima, no plasma líquido de limpeza.
- Pegue o PDMS e o tampa de vidro do plasma líquido de limpeza e coloque o vidro de tampa, viradas para baixo, para o dispositivo PDMS.
Nota: Isto fará com que o vidro de cobertura e o PDMS a ligação quase imediatamente. Se a ligação não estiver visível, pressione suavemente o vidro de tampa para o PDMS em uma seção de PDMS desprovido de recursos moldados. Isso deve causar ligação ocorra entre o PDMS e o tampa de vidro. - Colocar o dispositivo PDMS em estufa a 90 ° C durante pelo menos 12 h garantir o PDMS e o tampa de vidro estão bem ligados.
3. conjunto de sistema de bomba de seringa feedback-controlado
- Remova uma quantidade apropriada do comprimento da isolação do fio e a blindagem do cabo elétrico de um sensor de pressão que usando uma navalha. Cuidado ao cortar para garantir que os fios não sejam comprometidos acima o comprimento desejado. Uma vez que a isolação e blindagem são removidos, ligue os fios aos conectores machos retangulares.
- Usando uma abordagem similar ao passo anterior, remova leva de um motor de passo 1-2 cm de isolamento do fio e ligue os fios aos conectores machos retangulares.
- Apor a seringa no lado da entrada do sensor de pressão. Conecte uma agulha aplicadora de 22 G para o lado de saída do sensor de pressão.
- Passe uma extremidade do tubo do diâmetro de 0,51 cm a agulha aplicadora 22g anexada para o sensor de pressão.
- Deslize a outra extremidade do tubo do diâmetro de 0,51 cm sobre uma agulha aplicadora de 22 G que pode ser conectada ao dispositivo microfluidic. Conecte a agulha para a porta de entrada do dispositivo microfluidic.
- Conectar-se a abertura de saída de um dispositivo microfluidic para um reservatório de eliminação de resíduos, utilizando uma agulha 22g e tubulação de diâmetro de 0,51 cm, semelhante a conexão da porta de entrada.
- Monte o circuito eletrônico em uma experimentação de protótipos de acordo com o diagrama na Figura 3.
Nota: Este painel de experimentação serve para condicionar o sinal do sensor de pressão a serem monitorados por um microcontrolador. Outros microcontroladores compatíveis podem ser usado para monitorar o sinal do sensor de pressão. - Ligue os fios do motor deslizante com o excitador do motor deslizante. Ligue os fios do sensor de pressão e o excitador do motor deslizante com a experimentação de acordo com o esquema na Figura 3. Os fios expostos do sensor de pressão são codificados por cores e devem ser conectados da seguinte forma: vermelho deve conectar a V +, preto deve se conectar ao V-, verde deve se conectar ao sinal + e branco deve se conectar ao sinal-.
- Conecte o sinal de saída do painel de experimentação com o pino de entrada analógico sobre o microcontrolador.
- Conecte os pinos de entrada lógica do driver de motor de passo a passo com os pinos do microcontrolador Digitas. A entrada do passo do motorista motor deslizante está ligada com uma porta de largura modulada (PWM) de pulso de pinos Digitas sobre o microcontrolador, indicado por um ' ~' sinal.
- Conecte a fonte de alimentação com painel de experimentação de acordo com o diagrama na Figura 3. Defina a fonte de alimentação de 10 V para a experimentação e o excitador do motor deslizante.
4. calibração de sensores de pressão
Nota: Baseado no amplificador escolhido neste trabalho, a fórmula para calcular o ganho é G = 5 + (200k/RG) com RG = R1 e G = ganho do amplificador. O ganho do amplificador é de cerca de 606. Esse valor pode ser alterado, alterando a resistência usada para R1. Além disso, como o nível da lógica do Conselho microcontrolador é de 5 V e a instrumentação é alimentada com 10 V, um circuito divisor de tensão simples, R2 e R3, é usado para proteger o sinal de saída a ser não mais de 5 V.
- Baixe e instale o ambiente adequado de desenvolvimento integrado (IDE) para o microcontrolador.
- Baixe o código controlador intitulado 'Pressure_Sensing.ino' dos arquivos suplementares. Use este código é para adquirir o sinal de pressão de sensores de pressão duplo.
Nota: O código de microcontrolador e controlador usado neste artigo incluem pinos de entrada analógicos com uma resolução de 10 bits que ler os sinais analógicos do sensor de pressão a cada 200 ms para acionar os motores de passo. O número do suporte de analogRead() corresponde à entrada de pino analógico conectado para o sinal de saída do circuito divisor de tensão no circuito do sensor de pressão na Figura 3. A variável de atraso representa o intervalo no qual o sinal é reavaliado e a saída da mesma forma, em ms. - Aplicar pressões conhecidas para a entrada do sensor com saída de tampado e medir o sinal de saída resultante.
Nota: Um método simples para calibrar o sensor de pressão utiliza um reservatório com água, realizada em diferentes alturas. A pressão gravitacional resultante detectada irá permitir a calibrar o sensor de pressão. - Traça o diagrama com a pressão de calibração aplicada (Pa) no eixo x e o sinal de pressão (V) no eixo y para obter o valor numérico da intercepção de y.
- Aplica esse valor numérico no código controlador, tais como as variáveis sensor1Offset e sensor2Offset no 'Dual_Pump_PID_Control.ino' código dos Arquivos suplementares, para calibrar o valor da pressão no sistema de controle de gabarito.
5. captura de imagens do dispositivo Microfluidic
- Ligar um microcontrolador a um computador de placa única de código-fonte aberto através de uma interface serial para que a imagem capturada pelas microcomputador gatilhos as medições da pressão a ser tomadas pelo microcontrolador.
- Conecte um módulo de câmera feito para o computador de placa única para uma das peças-olho de um estereomicroscópio. Aqui, uma ampliação de 20 X é usado para os dispositivos microfluídicos de imagem.
6. controlar bombas de pressão de seringa
- Abra o IDE para o microcontrolador de código-fonte aberto. Baixe o Timer.h13 e AccelStepper.h14 bibliotecas para diretório de biblioteca do IDE do microcontrolador.
- Baixe o código controlador intitulado 'Dual_Pump_PID_Control.ino' dos Arquivos suplementares. Este código é utilizado para controlar o sistema de bomba de seringa gabarito controlado com duas bombas.
- Programe o código do controlador para que ele caiba o experimento sendo conduzido. Modifica os parâmetros de controle ou os parâmetros de temporização para caber a resposta desejada e a duração do experimento. Compilar e carregar o código para o microcontrolador antes de executar o experimento.
Nota: O código do controlador, setPoint1/2 valores são usados para alterar o nível de pressão e stepper1/2Out valores são usados para ajustar a velocidade da bomba. Os dois últimos valores na coluna de stepper1/2 AccelStepper correspondem ao número da porta no microcontrolador. A variável milliTiming determina a frequência do sinal analógico de leitura dos sensores da pressão e a variável printTiming determina a frequência de saída valores de velocidade e pressão para um monitor serial para inspeção. Todas as unidades estão em MS. A variável maxError é determinada a partir do nível da lógica do Conselho microcontrolador. Um valor de 5 é usado aqui como o microcontrolador neste protocolo é de 5 V. - Ligue a fonte de alimentação para o sistema de bombas de seringa. Defina a tensão de 10 V para a alimentação do motor deslizante.
7. Ajuste os parâmetros do controlador PID
Nota: Os valores de parâmetro de controlador ideal podem variar dependendo do aplicativo e a geometria de dispositivo microfluidic. Por exemplo, para (horas) de estudos a longo prazo, uma baixa constante proporcional (Kp) pode ser preferível para minimizar a superação em detrimento do tempo de resposta. Essas vantagens e desvantagens dependem de objectivos e condições experimentais.
- Sintonize o controlador, usando uma abordagem manual, ajustando a constante proporcional (Kp) para melhorar o tempo de resposta de uma função de passo.
Nota: Embora algorítmicas abordagens podem ser usado, manual, ajuste de obras para as aplicações de microfluidic mostrado neste artigo. - Em seguida, altere o integral (Ki) e diferenciais parâmetros (Kd) para minimizar a superação e garantir uma estabilidade de set point.
- Defina os valores de PID para as variáveis de Kp, Ki e Kd no controlador código dos Arquivos suplementares.
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Representative Results
Aqui, apresentamos um protocolo para a construção de uma seringa de gabarito-controlado sistema de bomba e demonstrar seus usos potenciais para aplicações microfluidic. A Figura 1 mostra o sistema conectado da bomba de seringa, sensor de pressão, dispositivo microfluidic, microcontrolador, circuito do sensor de pressão e excitador do motor deslizante. Textos explicativos detalhados para o conjunto de bomba de seringa são mostrados na Figura 2 e o circuito eletrônico esquemático para sensoriamento de pressão é apresentado na Figura 3. O processo de ajustar os parâmetros de controle é mostrado na Figura 4. Finalmente, um resultado representativo de controlar a pressão de entrada em um dispositivo de entrada de dois em forma de Y microfluidic é mostrado na Figura 5.
Figura 1: configuração do sistema de bomba de seringa controlado gabarito. Esta imagem mostra a configuração do sistema de bomba de seringa. A seringa contém a solução para a injeção e é accionada pela bomba de seringa 3D-impresso. Como A. o sensor de pressão piezoresistivos está ligado com B. a bomba de seringa e C. o dispositivo microfluidic, a pressão do dispositivo é detectado e convertido em um sinal elétrico para D. o circuito do sensor de pressão com amplificador de instrumentação uma vez que o líquido é entregue através da tubulação. O sinal do sensor de pressão é lido por E. o microcontrolador de código-fonte aberto da placa que, em seguida, transmite o sinal necessário para F. o driver de motor de passo para controlar o acionamento da bomba de seringa. G. uma fonte de alimentação e H. um laptop é necessária para operar e programar o sistema. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: foto montagem para a bomba de seringa 3D-impresso. Esta figura mostra as instruções passo a passo para o conjunto da bomba de seringa 3D-impresso, com fotos, correspondente ao procedimento na etapa 1.2 do protocolo. R. esta imagem mostra os materiais para o conjunto de bomba de seringa. B. esta imagem mostra como o motor de passo está conectado à haste roscada (etapa 1.2.1). C. esta imagem mostra como parte da etapa 1.2.1 do protocolo é conectado à parte da etapa 1.2.2 do protocolo (etapa 1.2.3). M. Esta imagem mostra a montagem de peça de empurrar o viajante (etapa 1.2.5). E. esta imagem mostra como está ligada a paragem final (etapa 1.2.10). F. esta imagem mostra como a peça de conector fêmea de êmbolo de seringa está ligada aos componentes montados (etapa 1.2.11). G. esta imagem mostra a montagem da parte de conector macho de êmbolo da seringa (etapa 1.2.13). H. esta imagem mostra como o grampo de seringa está conectado (etapa 1.2.14). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: ilustração para o circuito do sensor de pressão e microcontrolador. O circuito permite que a placa do microcontrolador medir pressão amplificada sinais do sensor de pressão. R. esta é a foto de montagem para o circuito. B. esta figura mostra os layouts de placa de circuito. Os fios expostos do sensor de pressão são codificados por cores e devem ser conectados da seguinte forma: vermelho deve conectar a V +, preto deve se conectar ao V-, verde deve se conectar ao sinal + e branco deve se conectar ao sinal-. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: ajuste de parâmetros de controle. O controlador PID usado para regular a pressão de fluido da bomba seringa poderão ser sintonizado, modificando o diferenciais parâmetros (Kd), integral (Ki) e proporcional (Kp). Aqui, nós mostramos como afinação (usando Kp) ajudará a reduzir o tempo de resposta. Mais ajuste (usando o Ki e Kd) pode ajudar a garantir uma estabilidade de setpoint e reduzir a taxa de superação. Neste protocolo, os controladores estão sintonizados principalmente usando uma abordagem de tentativa e erro manual. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: controle de pressão de entrada de um fluxo laminar microfluidic dispositivo. Um dispositivo em forma de Y microfluídicos é fabricado seguindo o procedimento detalhado na etapa 2 do presente protocolo. O dispositivo possui duas portas de entrada e uma saída. Dois sistemas de bomba de seringa são montados para controlar as pressões de entrada. Dentre as seringas é carregado com um corante azul e o outro é carregado com água. R. essas imagens do fluxo de fluido resultante a mesma pressão fornecida por ambas as bombas são capturadas usando a abordagem detalhada na etapa 6 do presente protocolo. B. esta figura mostra como as pressões de entrada são monitoradas e controlados usando o controlador PID sintonizado na Figura 4. Pode ser observada a estreita aderência para o set point. Mais curto (s) e mais (h) de experimentos têm demonstrado resultados semelhantes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Aqui, apresentamos um novo design para um sistema de bomba de seringa com controle de pressão do circuito fechado. Isso foi realizado através da integração de uma bomba de seringa 3D-impresso com um sensor de pressão piezoresistivos e um microcontrolador de código-fonte aberto. Utilizando um controlador PID, conseguimos precisamente controlar a pressão de entrada e fornecer tempos de resposta rápidos, mantendo simultaneamente a estabilidade sobre um ponto de ajuste.
Muitos experimentos usando dispositivos microfluídicos exigem um controle preciso de fluídico e exploram um perfil bem caracterizadas de fluxo laminar. Exemplos onde um perfil de vazão estável é importante incluem experiências que explorar os gradientes de concentração espacial e temporal de15 e geram encapsulamentos fluídico precisos de mais análise16. Usando um controlador PID para manter a resposta de alto desempenho, o sistema descrito neste protocolo produz a regulação do fluxo e a estabilidade a longo prazo necessária para estudar tais experiências de fluxo laminar.
No entanto, é importante reconhecer que têm dispositivos microfluídicos e experimentos envolvendo-as diferenças e variações sutis. Por exemplo, microfluidic diferentes geometrias (canal de largura e altura) podem necessitar de perfis diferentes de fluxo. Como resultado, os parâmetros para os controladores PID devem ser ajustados em conformidade. Além disso, algumas experiências podem exigir um regulamento apertado dos intervalos de pressão. Nesses casos, a superação da pressão pode não ser aceitável. Como tal, os parâmetros de controle PID devem ser ajustados para que a superação é minimizada, geralmente em detrimento do tempo de resposta.
Devido à produção de baixo custo deste sistema de bomba de seringa, pesquisadores devem ser capazes de desenvolver rapidamente microfluidic experimentos. O custo estimado para uma bomba de seringa 3D-impresso, microcontrolador e circuito de sensor de pressão é de aproximadamente US$ 130. Em contraste com as alternativas disponíveis comercialmente, tais como peristáltica e bombas de recirculação, este sistema de bomba de seringa fornece uma plataforma flexível e simples que pode ser adaptada a uma variedade de utilizações laboratoriais. Embora não discutidos aqui, estratégias de controle mais simples, tais como o controlador de bang bang, podem ser utilizadas para estudos de longo prazo microfluidic. Além disso, os sistemas de bomba de seringa podem ser usados para aplicar uma pressão do vácuo para um volume de controle.
Uma limitação potencial deste sistema de bomba de seringa utilizando um controlador PID é a dependência de uma fonte de energia constante. Porque o método de controle PID requer a constante energização do motor deslizante, há uma exigência de poder relativamente grande. Em contraste, o controlador, bang-bang só energiza o motor de passo, quando necessário, utilizando substancialmente menos energia. Este requisito de energia pode ser atenuado através do desenvolvimento de uma estrutura de controle híbrido que implementa um controlador PID para atingir inicialmente uma gama de set point e então de energiza as bobinas de motor de passo, uma vez que o valor de pressão é dentro de um determinado intervalo de set point. Alternativamente, um controlador simples, bang-bang pode ser usado também.
Além disso, este sistema de bomba de seringa permite um desempenho flexível e controle, alterando o tamanho de ambos o motor de passo e a seringa em si. Em experimentos anteriores, usamos seringas de 1 mL, 5 mL, 10 mL e 30 mL. Naturalmente, cada bomba de seringa pode necessitar ligeiramente diferentes parâmetros de controlador PID e, portanto, exigiria ajuste de parâmetro individualizado. No entanto, esta flexibilidade permite que o sistema de bomba de seringa descrito neste protocolo a ser usado em uma variedade de aplicações.
Deve notar-se que uma área comum de falha de microdevice é a incapacidade de se relacionar eficazmente o PDMS para o tampa de vidro. Para a fabricação de dispositivos microfluídicos, o poder do plasma líquido de limpeza deve ser otimizado se a ligação é ineficaz. Além disso, qualquer lubrificantes ou impurezas na superfície do vidro tampa devem ser removidas antes da ligação para assegurar uma forte ligação com o PDMS. Cuidadosamente, lavar e retirar toda a poeira do componente de PDMS devem ajudar a garantir que uma boa vedação é formada entre o vidro e o PDMS.
O sistema de bomba de seringa de baixo custo, controlado por realimentação apresentado aqui permite que os pesquisadores manipular o perfil fluido com um elevado grau de estabilidade de forma flexível. Integrando o módulo de sensoriamento de pressão com métodos de controle PID simples, o sistema é capaz de fornecer o controle de fluxo controlado por pressão de alto desempenho. Esta ferramenta pode ser amplamente aplicada em muitos campos de investigação onde microfluídica ferramentas estão em uso.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Os autores reconhecem o apoio do escritório de pesquisa Naval N00014-17-12306 e N00014-15-1-2502, assim como do escritório de pesquisa científica da força aérea prêmio FA9550-13-1-0108 e a nacional Science Foundation Grant no. 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 |
References
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