Summary
Qui presentiamo un protocollo per la costruzione di una pompa a siringa a pressione controllata per essere utilizzato nelle applicazioni di microfluidica. Questa pompa a siringa fatta da un additivo fabbricato corpo, hardware COTS ed elettronica open-source. Il sistema risultante è a basso costo, semplice da costruire ed eroga ben regolato flusso del fluido per attivare la ricerca rapida microfluidica.
Abstract
Microfluidica è diventato uno strumento fondamentale nella ricerca attraverso, chimica, scienze biologiche e fisiche. Una componente importante della sperimentazione di microfluidica è un sistema in grado di fornire con precisione una portata aspirata o la pressione di ingresso stabile per fluidi. Qui, abbiamo sviluppato un sistema di pompe siringa in grado di controllare e regolare la pressione del fluido di aspirazione consegnato a un dispositivo microfluidico. Questo sistema è stato progettato utilizzando materiali a basso costo e principi di produzione additiva, sfruttando la stampa tridimensionale (3D) di materiali termoplastici e componenti normalizzati quando possibile. Questo sistema è composto da tre componenti principali: una pompa a siringa, un trasduttore di pressione e un microcontrollore programmabile. All'interno di questa carta, abbiamo dettagliatamente una serie di protocolli di fabbricazione, assemblaggio e programmazione di questo sistema di pompa a siringa. Inoltre, abbiamo incluso i risultati rappresentativi che dimostrano ad alta fedeltà, controllo feedback della pressione di ingresso utilizzando questo sistema. Ci aspettiamo che questo protocollo permetterà ai ricercatori di fabbricare sistemi pompa siringa di basso costo, abbassando la barriera di ingresso per l'utilizzo della microfluidica in biomedica, chimica e ricerca dei materiali.
Introduction
Strumenti di microfluidica sono diventati utili per scienziati nella ricerca biologica e chimica. Dovuto l'utilizzazione di basso volume, capacità di misurazione rapida, profili di flusso ben definiti, microfluidica ha guadagnato la trazione in genomica e proteomica ricerca, high throughput screening, diagnostica medica, nanotecnologia e cella singola analisi1,2,3,4. Inoltre, la flessibilità del design dei dispositivi microfluidici consente prontamente ricerca di scienza di base, ad esempio indagando la dinamica spazio-temporale di colonie batteriche colta5.
Molti tipi di sistemi di iniezione di fluido sono stati sviluppati per fornire con precisione il flusso di dispositivi microfluidici. Esempi di tali sistemi di iniezione peristaltiche e pompe di ricircolo6, regolatore di pressione sistemi7e pompe a siringa8. Questi sistemi di iniezione, tra cui pompe a siringa, sono spesso composti da componenti costosi precisione costruita. Aumentando questi sistemi con controllo di feedback a circuito chiuso della pressione nel flusso di uscita aumenta il costo di questi sistemi. In risposta, abbiamo precedentemente sviluppato un sistema di pompa siringa robusto, a basso costo che utilizza il controllo di feedback a circuito chiuso per regolare la pressione di flusso di output. Utilizzando il controllo di pressione del circuito chiuso, la necessità di costosi componenti di altissima precisione è abrogato9.
La combinazione di conveniente stampa 3D hardware e una crescita significativa in associato software open-source ha fatto la progettazione e la fabbricazione di dispositivi microfluidici sempre più accessibile ai ricercatori da una varietà di discipline10. Tuttavia, i sistemi utilizzati per fluido in auto attraverso questi dispositivi rimangono costosi. Per soddisfare questa esigenza per un sistema di controllo fluidi di basso costo, abbiamo sviluppato un design che possa essere fabbricato dai ricercatori in laboratorio, che richiedono solo un piccolo numero di fasi dell'assemblaggio. Nonostante il suo basso costo e semplice montaggio, questo sistema può fornire un controllo di flusso preciso e fornisce un'alternativa ai sistemi a pompa siringa commercialmente disponibili, ciclo chiuso, che può essere proibitivo.
Qui, forniamo i protocolli per la costruzione e l'utilizzo del ciclo chiuso controllato siringa sistema pompa abbiamo sviluppato (Figura 1). Il fluido sistema di gestione è composto da una pompa a siringa fisico ispirata da un precedente studio11, un microcontrollore e un sensore di pressione piezoresistivo. Quando montato e programmato con un regolatore di proporzionale-integrale-derivato (PID), il sistema è in grado di erogare un flusso ben regolato, pressione-driven per dispositivi microfluidici. Questo fornisce un'alternativa di basso costo e flessibile ai prodotti commerciali ad alto costo, consentendo un più ampio gruppo di ricercatori di utilizzare microfluidica nel loro lavoro.
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Protocol
1. stampa 3D e montaggio della pompa a siringa
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Preparare e 3D-stampa componenti pompa siringa
- Scarica il. File di disegno STL dai File supplementari di questa carta.
Nota: Ci sono sei. I file STL, intitolati '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', nei file supplementari. Questi file corrispondono ai componenti 3D-stampato della pompa a siringa. - Aprirli in un pacchetto software dedicato alla conversione di preparare questi file per la stampa. Modello file STL per set di istruzioni eseguibili per il 3D-stampante utilizzata. Accertarsi che il software corretto venga utilizzato come alcune stampanti richiedono software proprietario, mentre altri possono essere in grado di stampare direttamente dalla. File STL.
- Stampare i componenti in plastica con acrilonitrile butadiene stirene (ABS) con un'impostazione di 3D-stampante di alta qualità. Se vengono utilizzati altri materiali di stampa 3D comuni, come l'acido polilattico (PLA) o altri elastomeri termoplastici, assicurarsi che le proprietà meccaniche rifinite (ad es., elasticità, resistenza allo snervamento) sono paragonabili all'ABS.
- Staccare le parti stampate dalla piattaforma di stampa della stampante-3D. Rimuovere la struttura di supporto stampata dai pezzi finiti.
Nota: La struttura portante è stata progettata dal software specifiche della stampante utilizzato per convertire il. I file di modello STL all'istruzione eseguibile impostano per il 3D-stampante. La quantità e la struttura del materiale di supporto possono variare in base al software utilizzato. - Appianare i componenti stampati tramite levigatura eventuali asperità con carta vetrata. Per risultati ottimali, utilizzare carta vetrata con una granulometria di circa 220. Assicurarsi che tutti i componenti sono lisci prima del montaggio.
- Garantire che tutte le sette parti sono state stampate.
Nota: Queste parti sono state nominate i seguenti: (I) connettore del motore, (II) viaggiatore spingere, (III) End ferma, (IV) siringa piattaforma, Morsetto siringa (V), (VI) siringa stantuffo connettore maschio e connettore femmina per il pistone siringa (VII). Il numero romano per ogni componente si riferisce nella Figura 2A. Un elenco dettagliato delle parti meccaniche per l'assembly viene trovato nella Tabella dei materiali.
- Scarica il. File di disegno STL dai File supplementari di questa carta.
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Montare la pompa a siringa (Figura 2)
- Fissare il motore passo a passo una barra filettata mediante un albero motore accoppiatore flessibile asse z con viti. Prima di continuare, assicurarsi che ruotando l'albero motore azionamenti la barra filettata senza slittamenti.
- Collegare la piattaforma siringa al connettore motore premendo saldamente pioli di collegamento della piattaforma siringa nei fori degli amori in cima il connettore del motore.
- Fissare la parte assemblata nel passaggio 1.2.1 con la parte al punto 1.2.2 quattro bulloni di 16mm attraverso il connettore del motore di fissaggio.
- Inserire due cuscinetti a sfere lineari e un dado esagonale di 0,8 mm in aperture presenti sul fondo della spinta viaggiatore.
- Allineare l'asta filettata sul connettore del motore attraverso il dado esagonale di 0,8 mm al push di viaggiatore.
- Inserire i due alberi lineari attraverso la spinta del viaggiatore e il connettore del motore.
- Posizionare i due dadi esagonali negli spazi esagonali del pezzo connettore del motore e quindi utilizzare due viti 16 mm per serrare i collegamenti, a proteggere gli alberi lineari da spostare.
- Inserire il cuscinetto a sfere nell'apertura centrale del fine corsa.
- Collegare il fine corsa con componenti assemblati dal punto 1.2.7.
- Posto due dadi esagonali negli spazi esagonali della fine ferma pezzo e quindi utilizzano due viti 16 mm per serrare i collegamenti per apporre il fine corsa all'Assemblea.
- Fissare il pezzo di connettore femmina pistone siringa al pezzo push viaggiatore utilizzando due dadi autobloccanti in acciaio e due viti di 16 mm.
- Posto una siringa da 10 mL sopra la pompa. Garantire la testa dello stantuffo è allineata nella tacca della parte di connettore femmina pistone siringa e la parte superiore del cilindro della siringa è fissata nello slot del connettore del motore.
- Inserire il pezzo di connettore maschio pistone siringa nel connettore femmina di stantuffo della siringa. Assicurarsi che ci sia una perfetta aderenza tra le componenti maschile e femminile, lo stantuffo in luogo di fissaggio.
- Collegare il morsetto siringa alla piattaforma siringa usando due dadi esagonali e due viti di 35 mm, garantendo che il corpo della siringa è fissa nella fessura del morsetto siringa.
2. preparazione del dispositivo microfluidico
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Fabbricare stampi master utilizzando fotolitografia
Nota: Una procedura in dettaglio la progettazione e costruzione stampi master per la fabbricazione di dispositivi microfluidici può essere trovata nella precedente letteratura12.- Utilizzando il software preferito computer-aided design (CAD), creare i disegni necessari per un photomask e stamparlo su una lastra di vetro o quarzo.
Nota: Altri materiali possono essere accettabile basato sui requisiti di aligner maschera utilizzata. La stampa di queste maschere fotografiche viene normalmente completata da un fornitore di terze parti. - Utilizzare metodi di fotolitografia per creare uno stampo master da strato di fotoresist. Eseguire questa procedura in un ambiente di camera bianca.
- Esporre lo stampo master fabbricato a vapore fluorosilane in un essiccatore sotto vuoto.
Nota: Questo processo facilita il rilascio di polidimetilsilossano (PDMS) dallo stampo master quando fabbricare dispositivi microfluidici. Per trattare lo stampo master, aggiungere tre gocce di fluorosilane in un becher e porre il becher in una camera a vuoto. - Applicare un vuoto per 1 minuto nelle vicinanze della camera del vuoto, ma tenere lo stampo master nella camera per 30 minuti consentire la deposizione di fluorosilane. Come precauzione di sicurezza, è necessario eseguire questa procedura in una cappa per limitare l'esposizione al vapore fluorosilane pericolose.
- Utilizzando il software preferito computer-aided design (CAD), creare i disegni necessari per un photomask e stamparlo su una lastra di vetro o quarzo.
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Fabbricare dispositivi PDMS
- Pesare il pre-polimero PDMS in una barca di pesare. Anche se può variare lo spessore desiderato del dispositivo finale PDMS, 30g di pre-polimero funziona bene per un maestro muffa di 100 mm di diametro.
- Misurare e aggiungere un agente indurente in un 01:10 rapporto di pre-polimero. Per uno stampo master di 100 mm di diametro, aggiungere 3 g di un agente indurente.
- Mescolare energicamente l'agente pre-polimero e polimerizzazione a mano con una spatola monouso. Dopo 30 s, controllare che ci siano piccoli, separati regolarmente bolle d'aria nella soluzione, che indica il pre-polimero e agenti reticolanti sono ben miscelati.
- Posizionare lo stampo master in una piastra di coltura e attentamente versare il composto PDMS in cima al forgi master.
Nota: Lo spessore desiderato del dispositivo PDMS può variare a seconda della sua applicazione. - Degassare la miscela in un essiccatore sotto vuoto per 1ora accertarsi che nessun bolle sono osservabili all'interno della miscela. Se ci sono eventuali bolle presenti, rilasciando rapidamente il vuoto e quindi riapplicare un vuoto. Lasciar riposare per almeno 10 min dopo questa procedura.
- Spostare la miscela PDMS in forno a 90 ° C. Lasciare il composto per 30 min.
- Rimuovere il PDMS dallo stampo master. Tagliate il PDMS le dimensioni desiderate utilizzando una lama di rasoio. Indossare guanti per limitare l'esposizione PDMS ai contaminanti.
- Fori per le porte di ingresso e di uscita di perforazione con un ago di erogazione 23 G. Per facilitare questo processo, il file l'ago con un metallo Lima o carta vetrata per affilare le estremità smussate. Assicurarsi che il cilindro punteggiato di PDMS è rimosso dall'ago dopo ogni puntura.
Nota: Gli aghi con diverse dimensioni possono essere utilizzati per la perforazione di fori. Garantire che la dimensione è leggermente più grande degli aghi usati nel passaggio 3 del presente protocollo. - Lavare il PDMS con acqua deionizzata filtrata e asciugare all'aria il PDMS utilizzando una sorgente di aria o azoto con un filtro da 0,2 µm.
Nota: La pressione esatta non è critica, e una fonte di gas pressurizzato dal sistema centrale di un edificio funziona bene per questo passaggio. - Un substrato di vetro borosilicato n ° 1 con un tensioattivo, come ad esempio un detersivo in polvere, di pulire e asciugare utilizzando una fonte di aria pressurizzata con filtro 0,2 µm. Pulire accuratamente come copertura in vetro spesso è rivestito con un lubrificante idrorepellente ed è in grado di associare a PDMS, a meno che non si è adeguatamente pulito.
- Utilizzando nastro sensibile alla pressione, toccare leggermente il PDMS per rimuovere eventuali residui di polvere. Per garantire che le caratteristiche stampate non sono compromessi, non premere con grandi quantità di forza sul nastro.
- Posizionare il dispositivo PDMS e un vetro di copertura pulito in un pulitore per 1 min. Assicurarsi che il colore dalla camera cleaner plasma il plasma ad ossigeno è magenta brillante durante il processo. Assicurarsi che il dispositivo PDMS ha sue caratteristiche modellati esposti, scoperte, nel plasma pulitore.
- Prendere il PDMS e il vetro di copertura dal plasma cleaner e il vetro di copertura, faccia in giù, sul dispositivo PDMS.
Nota: Questo causerà il vetro di copertura e il PDMS per legare quasi immediatamente. Se l'associazione non è visibile, premere delicatamente il vetro di copertura per il PDMS in una sezione di PDMS privo di caratteristiche modellati. Questo dovrebbe causare il legame tra il PDMS e il vetro di copertura. - Mettere il dispositivo PDMS in forno a 90 ° C per almeno 12 h per garantire che il PDMS e il vetro di copertura sono ben incollati.
3. siringa feedback-controllato sistema di pompaggio
- Rimuovere una quantità appropriata della lunghezza della schermatura da cavo elettrico di un sensore di pressione utilizzando un rasoio e l'isolamento del filo. Essere gentile quando taglio per garantire che i fili non siano compromesse sopra la lunghezza desiderata. Una volta l'isolamento e la schermatura vengono rimossi, collegare i cavi ai connettori maschio rettangolare.
- Utilizzando un approccio simile al passaggio precedente, rimuovere 1-2 cm dell'isolamento del filo dalla porta di un motore passo-passo e collegare i cavi ai connettori maschio rettangolare.
- Apporre la siringa sul lato di ingresso del sensore della pressione. Collegare un ago di erogazione di 22 G sul lato di uscita del sensore della pressione.
- Inserire un'estremità del tubo di diametro 0,51 cm sopra l'ago di erogazione di 22 G collegato al sensore di pressione.
- Far scorrere l'altra estremità del tubo del diametro di cm 0,51 sopra un ago 22G erogazione che possa essere collegato al dispositivo microfluidico. Collegare l'ago alla porta di ingresso del dispositivo microfluidico.
- Collegare la porta di uscita di un dispositivo microfluidico ad un serbatoio di smaltimento dei rifiuti utilizzando un ago 22G e tubo di diametro di cm 0,51, simile alla connessione di porta di ingresso.
- Assemblare il circuito elettronico su un tagliere di prototipazione secondo lo schema di Figura 3.
Nota: Questa basetta serve per condizionare il segnale dal sensore di pressione per essere monitorati da un microcontrollore. Altri microcontrollori compatibili possono essere utilizzati per monitorare il segnale del sensore di pressione. - Collegare i cavi del motore passo a passo con il driver del motore passo a passo. Collegare i fili del sensore di pressione e il driver del motore passo a passo con breadboard seguendo lo schema in Figura 3. I fili esposti dal sensore di pressione sono colorati e deve essere collegati come segue: rosso dovrebbe collegarsi al V +, nero dovrebbe collegarsi al V-, verde dovrebbe connettersi al segnale + e bianco dovrebbe connettersi al segnale-.
- Collegare il segnale in uscita da breadboard con il pin di input analogico sul microcontrollore.
- Collegare i pin di input di logica dal driver motore passo-passo con i pin digitali sul microcontrollore. L'ingresso di passaggio sul driver motore passo-passo è collegato con una porta di larghezza modulata (PWM) di impulso dei perni digitali sul microcontrollore, denotato da un ' ~' segno.
- Collegare l'alimentatore con la breadboard secondo lo schema di Figura 3. Impostare l'alimentazione a 10 V per la breadboard e il driver del motore passo a passo.
4. Taratura sensore di pressione
Nota: Basata sull'amplificatore selezionato in questa carta, la formula per calcolare il guadagno è G = 5 + (G200k/R) con RG = R1 e G = guadagno dell'amplificatore. Il guadagno dell'amplificatore qui è circa 606. Questo valore può essere modificato cambiando la resistenza utilizzata per R1. Inoltre, il livello di logica della scheda microcontroller è 5 V e la strumentazione è alimentata con 10 V, un circuito semplice partitore di tensione, R2 e R3, viene utilizzato per salvaguardare il segnale di uscita di essere non più di 5 V.
- Scaricare e installare l'ambiente appropriato sviluppo integrato (IDE) per il microcontrollore.
- Scarica il codice del controller dal titolo 'Pressure_Sensing.ino' dai file supplementari. Utilizzare questo codice è quello di acquisire il segnale di pressione dai sensori di pressione doppio.
Nota: Il microcontrollore e controller codice utilizzato in questa carta sono pin di ingresso analogico con una risoluzione di 10 bit che leggere i segnali analogici dal sensore di pressione ogni 200 ms per azionare i motori passo passo. Il numero nella staffa di analogRead () corrisponde al pin di ingresso analogico collegato al segnale in uscita dal circuito partitore di tensione nel circuito del sensore di pressione nella Figura 3. La variabile di ritardo rappresenta l'intervallo in cui il segnale viene rivalutato e l'output di conseguenza, in ms. - Applicare pressioni note verso l'ingresso del sensore con uscita ridotta e misurare il segnale di output risultante.
Nota: Un metodo semplice per calibrare il sensore di pressione utilizza un serbatoio con acqua tenuta a varie altezze. La conseguente pressione gravitazionale rilevata permetterà di calibrare il sensore di pressione. - Tracciare il diagramma con la pressione di taratura applicata (Pa) sull'asse x e il segnale di pressione (V) sull'asse y per ottenere il valore numerico dell'intercetta y.
- Applicare questo valore numerico nel codice del controller, ad esempio le variabili sensor1Offset e sensor2Offset nel codice 'Dual_Pump_PID_Control.ino' i File supplementari, per calibrare il valore di pressione nel sistema di controllo di feedback.
5. acquisizione di immagini dal dispositivo microfluidico
- Collegare un microcontrollore a un computer monoscheda open source attraverso un'interfaccia seriale, in modo che l'immagine catturata dalle misure di pressione del trigger di microcomputer da adottare con il microcontrollore.
- Collegare un modulo telecamera fatto per il computer monoscheda per uno dei pezzi in occhio di uno stereomicroscopio. Qui, un ingrandimento X 20 viene utilizzato per i dispositivi microfluidici di immagine.
6. controllo pressione pompe a siringa
- Aprire l'IDE per il microcontrollore open source. Scaricare la Timer.h13 e AccelStepper.h14 biblioteche IDE libreria directory del microcontrollore.
- Scarica il codice del controller dal titolo 'Dual_Pump_PID_Control.ino' dai File supplementari. Questo codice viene utilizzato per controllare il sistema di pompa siringa feedback controllato con due pompe.
- Programmare il codice del controller in modo che si adatta l'esperimento in corso. Modificare i parametri di controllo o i parametri di temporizzazione per adattare la risposta desiderata e la durata dell'esperimento. Compilare e caricare il codice al microcontrollore prima di eseguire l'esperimento.
Nota: Nel codice del controller, setPoint1/2 valori vengono utilizzati per modificare il livello di pressione e stepper1/2Out valori vengono utilizzati per regolare la velocità della pompa. Gli ultimi due valori nella colonna AccelStepper stepper1/2 corrispondano al numero di porta sul microcontrollore. La variabile milliTiming determina la frequenza di lettura del segnale analogico dei sensori di pressione e la variabile di printTiming determina la frequenza di output i valori di velocità e pressione per un monitor di serie per l'ispezione. Tutte le unità sono in ms. la variabile maxError è determinata dal livello di logica della scheda microcontroller. Viene utilizzato un valore di 5 qui come il microcontrollore in questo protocollo è 5 V. - Accendere l'alimentazione per il sistema di pompe siringa. Impostare la tensione di 10 V per l'alimentazione del motore passo a passo.
7. ottimizzare i parametri del regolatore PID
Nota: I valori dei parametri del controllore ideale può variare a seconda dell'applicazione e la geometria del dispositivo microfluidico. Ad esempio, per studi a lungo termine di (ore), una bassa costante proporzionale (Kp) può essere preferibile per ridurre al minimo superamento a scapito del tempo di risposta. Questi compromessi è dipendono da obiettivi e condizioni sperimentali.
- Sintonizzare il controller, utilizzando un approccio manuale, regolando prima la costante proporzionale (Kp) per migliorare il tempo di risposta di una funzione di passaggio.
Nota: Sebbene approcci algoritmici possono essere usato, manuale tuning opere per le applicazioni di microfluidica indicato in questo documento. - Successivamente, modificare l'integrale (Ki) e differenziali parametri (Kd) per ridurre al minimo il superamento e garantire una stabilità di set point.
- Impostare i valori di PID per le variabili di Kp, Ki e Kd nel codice del controller dei File supplementari.
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Representative Results
Qui, presentiamo un protocollo per la costruzione di una siringa di feedback controllato sistema di pompaggio e dimostrare i suoi usi potenziali per applicazioni di microfluidica. La figura 1 Mostra il sistema collegato della pompa a siringa, sensore di pressione, dispositivo microfluidico, microcontrollore, circuito del sensore di pressione e driver del motore passo a passo. Dettagliate didascalie per l'assemblaggio di pompa siringa sono mostrate in Figura 2 e il circuito elettronico schematico per rilevamento della pressione è presentato nella Figura 3. Il processo di ottimizzazione dei parametri di controllo è mostrato nella Figura 4. Infine, un risultato rappresentativo di controllo della pressione di ingresso a un dispositivo di due-ingresso a forma di Y microfluidica è illustrato nella Figura 5.
Figura 1: installazione del sistema pompa siringa feedback controllato. Questa immagine mostra la configurazione del sistema pompa siringa. La siringa contiene la soluzione iniettabile ed è azionata da pompa a siringa 3D-stampato. Come A. il sensore di pressione piezoresistivo è collegato con B. la pompa a siringa e C. il dispositivo di microfluidica, la pressione dal dispositivo viene rilevato e convertito in un segnale elettrico a D. il circuito del sensore di pressione con amplificatore per strumentazione una volta il liquido viene consegnato attraverso il tubo. Il segnale del sensore di pressione viene letto da E. il microcontrollore open source a bordo che poi trasmette il segnale necessario alla F. il driver del motore passo a passo per controllare l'azionamento della pompa a siringa. G. un alimentatore e H. un computer portatile è necessarie per utilizzare e programmare il sistema. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: foto di Assembly per la pompa a siringa 3D-stampato. Questa figura mostra le istruzioni dettagliate per l'assemblaggio di pompa siringa 3D-stampato, con le foto corrispondenti alla procedura nel passaggio 1.2 del protocollo. R. questa immagine mostra i materiali per l'assemblaggio di pompa siringa. B. questa immagine mostra come il motore passo-passo è collegato alla barra filettata (punto 1.2.1). C. questa immagine mostra come la parte dal punto 1.2.1 del protocollo è collegata alla parte dal punto 1.2.2 del protocollo (punto 1.2.3). d Questa immagine mostra il montaggio del pezzo push viaggiatore (punto 1.2.5). E. questa immagine mostra come il fine corsa è collegato (passo 1.2.10). F. questa immagine mostra come il pezzo di connettore femmina pistone siringa è collegato a componenti assemblati (passo 1.2.11). G. questa immagine mostra il montaggio della parte di connettore maschio pistone siringa (passo 1.2.13). H. questa immagine mostra come è collegato il morsetto siringa (passo 1.2.14). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: illustrazione per il circuito del sensore pressione e microcontrollore. Il circuito permette la scheda a microcontrollore misurare i segnali di pressione amplificato dal sensore di pressione. R. questa è la foto di assemblaggio per il circuito. B. questa figura mostra il layout del circuito. I fili esposti dal sensore di pressione sono colorati e deve essere collegati come segue: rosso dovrebbe collegarsi al V +, nero dovrebbe collegarsi al V-, verde dovrebbe connettersi al segnale + e bianco dovrebbe connettersi al segnale-. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: ottimizzazione dei parametri di controllo. Il regolatore PID utilizzato per regolare la pressione del fluido pompa siringa può essere sintonizzato modificando il proporzionale (Kp), integrale (Ki) e differenziale (Kd) parametri. Qui, indichiamo come sintonizzazione (utilizzando Kp) contribuirà a ridurre il tempo di risposta. Ulteriore ottimizzazione (con Ki e Kd) può contribuire a garantire una stabilità di setpoint e ridurre la sovraelongazione. In questo protocollo, controller sono principalmente sintonizzati usando un metodo di prova-e-errore manuale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: controllo della pressione in entrata per un dispositivo microfluidico flusso laminare. Un dispositivo a forma di Y microfluidica è fabbricato seguendo la procedura descritta nel passaggio 2 del presente protocollo. Il dispositivo è dotato di due porte di ingresso e una bocca di mandata. Due sistemi di pompa siringa vengono assemblati per controllare le pressioni di ingresso. Una delle siringhe è caricata con un colorante blu e l'altro viene caricato con acqua. R. queste immagini del flusso del fluido dovute alla stessa pressione fornita da entrambe le pompe vengono acquisite utilizzando l'approccio dettagliato al punto 6 del presente protocollo. B. questa figura mostra come le pressioni di ingresso sono monitorate e controllati tramite il regolatore di PID sintonizzato nella Figura 4. Stretta aderenza al set point può essere osservato. Più breve (s) e più a lungo (h) esperimenti hanno dimostrato risultati simili. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Qui, abbiamo presentato un nuovo design per un sistema di pompa a siringa con controllo di pressione del circuito chiuso. Ciò è stata compiuta mediante l'integrazione di una pompa a siringa 3D-stampato con un sensore di pressione piezoresistivo e un microcontrollore open source. Impiegando un regolatore PID, siamo stati in grado controllare la pressione in ingresso e fornire tempi di risposta rapidi mantenendo nel contempo la stabilità su un set point in modo preciso.
Molti esperimenti utilizzando dispositivi microfluidici richiedono un controllo preciso e fluidico e sfruttano un profilo ben caratterizzati a flusso laminare. Alcuni esempi dove è importante un profilo di flusso stabile sono esperimenti che esplorano i gradienti di concentrazione temporale e spaziale15 e generano precisi incapsulamenti fluidici per ulteriore analisi16. Usando un regolatore PID per mantenere la risposta ad alte prestazioni, il sistema descritto in questo protocollo produce la regolazione della portata e la stabilità a lungo termine necessario studiare tali esperimenti di flusso laminare.
Tuttavia, è importante riconoscere che i dispositivi microfluidici ed esperimenti che li coinvolgono hanno differenze e variazioni sottili. Per esempio, microfluidica differenti geometrie (canale larghezza e altezza) possono richiedere profili di flusso diverse. Di conseguenza, i parametri per i controllori PID devono essere accordati in conseguenza. Inoltre, alcuni esperimenti potrebbero richiedere una regolazione stretta delle gamme di pressione. In questi casi, il superamento della pressione può non essere accettabile. Come tale, i parametri di regolazione PID devono essere accordati in modo che il superamento è ridotto al minimo, di solito a scapito del tempo di risposta.
A causa del basso costo di produzione di questo sistema di pompa siringa, ricercatori dovrebbero essere in grado di sviluppare rapidamente microfluidici esperimenti. Il costo stimato per una pompa a siringa 3D-stampato, il microcontrollore e il circuito del sensore di pressione è di circa US$ 130. A differenza delle alternative disponibili in commercio, come peristaltiche e pompe di ricircolo, questo sistema di pompa siringa fornisce una piattaforma flessibile e semplice che può essere adattata ad una varietà di usi di laboratorio. Anche se non è discusso qui, strategie di controllo più semplici, come il controller di bang-bang, possono essere utilizzate per studi a lungo termine di microfluidica. Inoltre, i sistemi di pompa siringa possono essere utilizzati per applicare una pressione di vuoto a un volume di controllo.
Una limitazione potenziale di questo sistema di pompa siringa usando un regolatore PID è il ricorso a una fonte di alimentazione costante. Poiché il metodo di controllo di PID richiede la ricarica costante del motore passo a passo, c'è un requisito di alimentazione relativamente grande. Al contrario, il controller di bang-bang eccita solo il motore passo-passo, quando necessario, utilizzando sostanzialmente meno energia. Questo requisito di alimentazione può essere mitigato attraverso lo sviluppo di una struttura di controllo ibrido che implementa un regolatore PID per raggiungere inizialmente una gamma di set point e quindi si diseccita le bobine motore passo-passo una volta che il valore di pressione è in un determinato intervallo di set point. In alternativa, un semplice bang-bang controller può essere usato pure.
Inoltre, questo sistema di pompa siringa consente prestazioni flessibili e controllo modificando le dimensioni del motore passo passo sia la siringa stessa. In precedenti esperimenti, abbiamo usato siringhe da 1 mL, 5 mL, 10 mL e 30 mL. Naturalmente, ogni pompa siringa può richiedere leggermente diversi parametri del regolatore PID e sarebbe, pertanto, richiedere una regolazione parametro individualizzato. Tuttavia, questa flessibilità permette al sistema di pompa siringa descritto in questo protocollo per essere utilizzato in una gamma di applicazioni.
Si noti che uno spazio comune di guasto di microdevice è un'incapacità di legare efficacemente il PDMS per il vetro di copertura. Per la fabbricazione di dispositivi microfluidici, il potere del plasma cleaner dovrebbe essere ottimizzato se l'associazione è inefficace. Inoltre, lubrificanti o impurità sulla superficie il vetro di copertura deve essere rimosso prima dell'incollaggio per assicurare un forte legame con il PDMS. Accuratamente lavare e rimuovere eventuali tracce di polvere dal componente PDMS dovrebbe contribuire a garantire che una buona tenuta è formata tra il vetro e il PDMS.
Il sistema di pompa siringa di basso costo, feedback controllato qui presentato permette ai ricercatori di manipolare il profilo fluido con un alto grado di stabilità in modo flessibile. Integrando il modulo di rilevamento pressione con metodi semplici di controllo PID, il sistema è in grado di fornire il controllo di flusso di pressione-driven ad alte prestazioni. Questo strumento può essere ampiamente applicato in molti campi di ricerca dove microfluidica strumenti sono in uso.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Gli autori riconoscono supporto dall'Office of Naval Research awards N00014-17-12306 e N00014-15-1-2502, come pure da Air Force Office of Scientific Research award FA9550-13-1-0108 e la National Science Foundation Grant n. 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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