Summary
Aquí presentamos un protocolo para construir una bomba de jeringa de presión controlada para ser utilizado en aplicaciones de microfluídica. Esta bomba de la jeringuilla se hace de un cuerpo aditiva fabricado estándar hardware y electrónica de código abierto. El sistema resultante es bajo costo, fácil de construir y suministra fluido bien regulado para permitir investigación de microfluidos rápido.
Abstract
Microfluídica se ha convertido en una herramienta crítica en la investigación a través de la biológica, química y ciencias físicas. Un componente importante de experimentación de microfluidos es un líquido estable sistema capaz de proporcionar con exactitud una entrada de caudal o presión de entrada. Aquí, hemos desarrollado un sistema de bomba de jeringa capaz de controlar y regular la presión del fluido de entrada entregada a un dispositivo de microfluidos. Este sistema fue diseñado usando materiales de bajo costo y los principios de la fabricación aditiva, aprovechar la impresión tridimensional (3D) de materiales termoplásticos y componentes estándares siempre que sea posible. Este sistema se compone de tres componentes principales: un microcontrolador programable, una bomba de la jeringuilla y un transductor de presión. Dentro de este documento, se detalla un conjunto de protocolos para la fabricación, montaje y programación de este sistema de bomba de jeringa. Además, hemos incluido resultados representativos que demuestran alta fidelidad, control de retroalimentación de presión de entrada utilizando este sistema. Esperamos que este protocolo permitirá a los investigadores a fabricar sistemas de bomba de jeringa de bajo costo, bajar la barrera de entrada para el uso de la microfluídica en biomédica, química y la investigación de materiales.
Introduction
Herramientas de microfluidos se han convertido en útiles para los científicos en la investigación biológica y química. Debido a la utilización de bajo volumen, medición rápida y perfiles de flujo bien definidas, microfluídica ha ganado tracción en genómica y proteómica investigación, proyección de alto rendimiento, diagnóstico médico, la nanotecnología y unicelular Análisis1,2,3,4. Además, la flexibilidad de diseño del dispositivo de microfluidos fácilmente permite la investigación en ciencias básicas, como la investigación de la dinámica espaciotemporal de colonias bacterianas cultivadas5.
Han desarrollado muchos tipos de sistemas de inyección de fluido para proporcionar con precisión el flujo de dispositivos microfluídicos. Ejemplos de dichos sistemas de inyección son peristálticas y bombas de recirculación6, controlador de presión de sistemas7y bombas de jeringa8. Estos sistemas de inyección, incluyendo bombas de jeringa, a menudo están compuestos de componentes de ingeniería de precisión costosa. Aumento de estos sistemas con control de retroalimentación de lazo cerrado de la presión en el flujo de salida se suma al costo de estos sistemas. En respuesta, previamente hemos desarrollado un sistema de bomba de jeringa robusto y de bajo costo que utiliza retroalimentación de lazo cerrado de control para regular la presión de flujo outputted. Mediante el uso de control de presión de circuito cerrado, la necesidad de costosos componentes de ingeniería de precisión es derogadas9.
La combinación de hardware de 3D-impresión asequible y un significativo crecimiento en asociados-software de código abierto ha hecho el diseño y la fabricación de dispositivos microfluídicos cada vez más accesible a los investigadores de una variedad de disciplinas10. Sin embargo, los sistemas de fluido de transmisión a través de estos dispositivos siguen siendo caros. Para hacer frente a esta necesidad de un sistema de control de fluidos de bajo costo, se desarrolló un diseño que puede ser fabricado por los investigadores en el laboratorio, que requieren sólo un pequeño número de fases de montaje. A pesar de su montaje sencillo y de bajo costo, este sistema puede proporcionar control de flujo exacto y proporciona una alternativa a los sistemas de bomba de jeringuilla disponible en el mercado, circuito cerrado, que puede ser prohibitivo.
Aquí, ofrecemos protocolos para la construcción y uso del lazo cerrado controlado hemos desarrollado (figura 1) del sistema de la bomba de la jeringuilla. El fluido manejo del sistema se compone de una bomba de jeringa físico inspirada por un anterior estudio11, un microcontrolador y un sensor de presión piezorresistivo. Cuando montado y programado con un controlador proporcional-integral-derivado de (PID), el sistema es capaz de suministrar un flujo bien regulado, impulsado por la presión de dispositivos microfluídicos. Esto ofrece una alternativa flexible y de bajo costo para productos comerciales de alto costo, lo que permite a un más amplio grupo de investigadores a utilizar la microfluídica en su trabajo.
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Protocol
1. 3D-impresión y montaje de la bomba de jeringa
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Preparar e impresión 3D componentes de la bomba de la jeringa
- Descargar el. Archivos STL con el diseño de los Archivos adicionales de este documento.
Nota: Hay seis. Archivos STL, titulados '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', y ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.STL', en los archivos suplementarios. Estos archivos corresponden a los componentes impresos en 3D de la bomba de jeringa. - Preparar estos archivos para la impresión por la apertura de un paquete de software dedicado a la conversión de. Ficheros STL modelo para conjuntos de instrucciones ejecutables por la impresora 3D que utiliza. Asegurar que el software adecuado se utiliza como algunas impresoras requieren software propietario, mientras que otros pueden ser capaces de imprimir directamente desde el. Archivo STL.
- Los componentes de plástico con acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) con un ajuste de la impresora 3D de alta calidad de impresión. Si se utilizan otros materiales comunes de impresión en 3D, como el ácido poliláctico (PLA) u otros elastómeros termoplásticos, asegúrese de que las propiedades mecánicas finales (por ejemplo, elasticidad, fuerza de producción) son comparables a ABS.
- Separar las partes impresas de la plataforma de impresión de la impresora 3D. Retire la estructura de soporte impresa de las piezas acabadas.
Nota: La estructura de soporte está diseñada por el software de impresora específico utilizado para convertir el. Archivos de modelo STL para la instrucción ejecutable fijó para la impresora 3D. La cantidad y la estructura del material de apoyo pueden variar según el software utilizado. - Suavizar los componentes impresos lijando los bordes ásperos con papel de lija. Para mejores resultados, utilice papel de lija con un tamaño de grano de aproximadamente 220. Asegúrese de que todos los componentes son lisos antes de ensamblar.
- Asegúrese de que todas las siete piezas que se han impreso.
Nota: Estas piezas han sido nombradas los siguientes: (I) conector del Motor, empuje de viajero (II), (III) final parada, plataforma de jeringa (IV), (V) jeringa abrazadera, (VI) jeringa de émbolo conector macho y conector hembra del émbolo de jeringa (VII). El número romano para cada componente se conoce en la figura 2A. Una lista detallada de los componentes mecánicos para el montaje se encuentra en la Tabla de materiales.
- Descargar el. Archivos STL con el diseño de los Archivos adicionales de este documento.
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Montar la bomba de jeringa (figura 2)
- Fije el motor paso a paso a una varilla roscada utilizando un acoplador flexible eje z eje con tornillos de fijación. Antes de continuar, asegúrese de que girando los discos de eje del motor paso a paso la varilla roscada sin deslizamiento.
- Conectar la plataforma de la jeringa para el conector del motor presionando firmemente las clavijas de conexión de la plataforma de la jeringa en los orificios de acoplamiento en la parte superior el conector del motor.
- Fije la parte montada en el paso 1.2.1 con la parte de paso 1.2.2 fijación tornillos de 16 mm a través del conector del motor.
- Inserte dos rodamientos de bola lineales y una tuerca hexagonal de 0,8 mm en las aberturas ubicadas en la parte inferior del pulsador viajero.
- Alinee la barra roscada en el conector del motor a través de la tuerca hexagonal de 0,8 mm en el empuje de viajero.
- Inserte los dos ejes lineales mediante el impulso viajero y el conector del motor.
- Colocar dos tuercas hexagonales en los espacios hexagonales de la pieza del conector del motor y luego utilice dos tornillos de 16 mm para apretar las conexiones, asegurar los ejes lineales de movimiento.
- Inserte el cojinete de bolas en el media apertura de la parada final.
- Conecte el tope con los componentes montados de paso 1.2.7.
- Lugar dos tuercas hexagonales en los espacios hexagonales del final dejar la pieza y luego utilizan dos tornillos de 16 mm para apretar las conexiones para fijar el tope a la Asamblea.
- Ate el pedazo de hembra de émbolo de jeringa a la pieza de empuje viajero utilizando dos tuercas de acero y dos tornillos de 16 mm.
- Coloque una jeringa de 10 mL en la parte superior de la bomba. Asegúrese de que la cabeza del émbolo se ajusta en la muesca de la pieza de conector hembra de émbolo de jeringa y la parte superior del cuerpo de la jeringuilla es fijo en la ranura del conector del motor.
- Inserte la jeringa émbolo conector macho en el conector hembra del émbolo de jeringa. Asegúrese que haya un ajuste apretado entre los componentes masculinos y femeninos, asegurar el émbolo en su lugar.
- Conecte la pinza de la jeringa a la plataforma de jeringa con dos tuercas y dos tornillos de 35 mm, asegurando que el barril de la jeringa se fija en la ranura de la pinza de la jeringa.
2. preparación de dispositivo microfluídico
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Fabricar moldes maestro utilizando Fotolitografía
Nota: Un procedimiento que detalla el diseño y fabricación de moldes maestros para la fabricación del dispositivo de microfluidos puede encontrarse en la literatura anterior12.- Utilizando el software recomendado: diseño asistido por ordenador (CAD), crear los dibujos necesarios para un photomask e imprimir en una placa de vidrio o cuarzo.
Nota: Otros materiales pueden ser aceptables según los requerimientos del alineador de la máscara utilizada. La impresión de estos patrones por lo general se completa con un proveedor. - Utilizar métodos de fotolitografía para crear un molde principal de la fotomáscara. Realizar este procedimiento en un entorno de sala limpia.
- Exponer el molde maestro fabricado a un vapor de fluorosilane en un desecador de vacío.
Nota: Este proceso facilita la liberación de polidimetilsiloxano (PDMS) del molde maestro al fabricar dispositivos microfluídicos. Para tratar el molde maestro, añadir tres gotas de fluorosilane en un vaso y colocar el vaso en una cámara de vacío. - Aplicar un vacío durante 1 minuto cerca de la cámara de vacío, pero mantener el molde principal de la cámara durante 30 min permitir la deposición de fluorosilane. Como precaución de seguridad, realizar este procedimiento en una campana de humos para limitar la exposición a los vapores peligrosos fluorosilane.
- Utilizando el software recomendado: diseño asistido por ordenador (CAD), crear los dibujos necesarios para un photomask e imprimir en una placa de vidrio o cuarzo.
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Fabricar dispositivos PDMS
- Pesar el polímero antes de PDMS en un barco de pesaje. Aunque puede variar el espesor deseado del dispositivo final de PDMS, 30 g de polímero antes funciona bien para un maestro molde de 100 mm de diámetro.
- Mida y añada un agente endurecedor en un 1:10 cociente al polímero antes. Para un molde principal de 100 mm de diámetro, añadir 3 g de un agente de curado.
- Mezclar enérgicamente el agente pre-polímero y curado a mano usando una espátula desechable. Después de 30 s, comprobar que hay son pequeños, separados regularmente las burbujas de aire en la solución, indicando que el polímero antes y agentes de curado son bien mezclados.
- Coloque el molde maestro en una placa de cultivo y vierta con cuidado la mezcla PDMS en la parte superior del molde maestro.
Nota: El espesor deseado del dispositivo PDMS puede variar dependiendo de su aplicación. - Desgasificar la mezcla en un desecador de vacío de 1 hr. Asegúrese de que no hay burbujas son observables dentro de la mezcla. Si hay burbujas presentes, liberar rápidamente la presión del vacío y luego aplicar un vacío. Deje la mezcla reposar por lo menos 10 minutos después de este procedimiento.
- Poner la mezcla PDMS de un horno a 90 ° C. Deje que la mezcla se cura durante 30 minutos.
- Desmoldar el PDMS maestro. Cortar el PDMS en las dimensiones deseadas con una cuchilla de afeitar. Guantes para limitar la exposición a los contaminantes PDMS.
- Perfore agujeros para los puertos de entrada y salida con una aguja dispensadora de 23 G. Para facilitar este proceso, presentar la aguja con una lima de metal o papel de lija para afilar los extremos romos. Asegúrese de que el cilindro puntuado de PDMS se retira de la aguja después de cada punción.
Nota: Pueden utilizarse agujas de diferentes tamaños para los agujeros de perforación. Asegúrese de que el tamaño es ligeramente más grande que las agujas usadas en el paso 3 de este protocolo. - Lavar el PDMS con filtrado agua desionizada y seque el PDMS usando una fuente de aire o nitrógeno, equipada con un filtro de 0.2 μm.
Nota: La presión exacta no es crítica, y una fuente de gas a presión de sistema central de un edificio funciona bien para este paso. - Limpiar un substrato de cristal de borosilicato Nº 1 con un surfactante, por ejemplo, un detergente en polvo y secado con aire usando una fuente de aire comprimido equipada con filtro de 0.2 μm. Limpie bien como vidrio de cubierta a menudo está cubierta con un lubricante hidrofóbico y es incapaz de enlazar a PDMS si no se limpia correctamente.
- Con cinta sensible a la presión, tocar ligeramente el PDMS para quitar cualquier polvo residual. Para asegurar que las características moldeadas no se comprometen, no presione con mucha fuerza en la cinta.
- El aparato PDMS y un limpiado vidrio de cubierta en un plasma de oxígeno limpiador min 1 Asegúrese de que el color de la cámara del limpiador de plasma es magenta brillante durante el proceso. Asegúrese de que el dispositivo PDMS tiene limpiador sus moldeados características expuestas, boca arriba, en el plasma.
- El PDMS y el vidrio de la tapa del limpiador de plasma y coloque la cubierta de vidrio, boca abajo, en el dispositivo PDMS.
Nota: Esto hará que el cristal y el PDMS para casi de inmediato. Si el enlace no está visible, presione suavemente el vidrio de cubierta para el PDMS en una sección de PDMS desprovista de características moldeadas. Esto debería provocar la vinculación entre la PDMS y el cubierta de vidrio. - Coloque el dispositivo PDMS en un horno a 90 ° C durante al menos 12 h para asegurar que la PDMS y el cubierta de vidrio son bien consolidados.
3. conjunto de sistema de bomba de jeringa retroalimentación controlada
- Extraiga una cantidad apropiada de la longitud del aislamiento del cable y el blindaje del cable eléctrico de un sensor de presión utilizando una maquinilla de afeitar. Ser suave al corte para asegurar que los cables no se comprometen por encima de la longitud deseada. Una vez se eliminan el aislamiento y blindaje, conecte los cables a los conectores machos rectangulares.
- Utilizando un enfoque similar al paso anterior, retire 1-2 cm del aislamiento del cable de conductores de un motor paso a paso y conecte los cables a los conectores machos rectangulares.
- Colocar la jeringa en el lado de entrada del sensor de presión. Conecte una aguja dispensadora de 22 G en el lado de salida del sensor de presión.
- Deslice un extremo de la tubería de diámetro 0,51 cm sobre la aguja de 22 G suministro conectada al sensor de presión.
- Deslice el otro extremo de la tubería de diámetro 0,51 cm sobre una aguja de 22 G dispensador que puede conectarse al dispositivo de microfluidos. Conectar la aguja con el orificio de entrada del dispositivo de microfluidos.
- Conecte el orificio de salida de un dispositivo de microfluidos a un depósito de eliminación de residuos mediante una aguja de 22 G y la tubería de diámetro 0,51 cm, similar a la conexión del puerto de entrada.
- Montar el circuito electrónico en una placa de prototipos según el diagrama en la figura 3.
Nota: Esta placa sirve para acondicionar la señal del sensor de presión a ser controlado por un microcontrolador. Otros microcontroladores compatible pueden utilizarse para monitorear la señal del sensor de presión. - Conecte los cables del motor paso a paso con el controlador de motor paso a paso. Conecte los cables desde el sensor de presión y el controlador de motor paso a paso con la placa según el esquema en la figura 3. Los cables expuestos desde el sensor de presión son color-coded y debe estar conectados como sigue: rojo debe conectarse V +, negro debe conectarse V-, verde debe conectarse a la señal + y blanco debe conectarse a la señal.
- Conecte la señal de salida de la placa con el perno entrada analógica del microcontrolador.
- Conecte las clavijas de entrada lógica desde el controlador de motor paso a paso con las clavijas digitales en el microcontrolador. La entrada de paso en el controlador de motor paso a paso está conectada con un puerto de ancho modulado (PWM) de pulso de digitales pines en el microcontrolador, por un ' ~' signo.
- Conecte la fuente de alimentación con la placa según el diagrama en la figura 3. Establezca la fuente de alimentación 10 V para la placa y el controlador de motor paso a paso.
4. calibración del Sensor de presión
Nota: Basado en el amplificador elegido en este trabajo, la fórmula para calcular la ganancia es G = 5 + (200k/RG) con RG = R1 y G = ganancia del amplificador. Aquí la ganancia del amplificador es aproximadamente 606. Este valor puede cambiarse cambiando la resistencia utilizada para R1. Además, como el nivel de lógica de la placa del microcontrolador es de 5 V y la instrumentación es alimentada con 10 V, un circuito divisor de tensión simple, R2 y R3, se utiliza para proteger la señal de salida a no más de 5 V.
- Descarga e instala el entorno apropiado de desarrollo integrado (IDE) para el microcontrolador.
- Descargar el código de controlador titulado 'Pressure_Sensing.ino' de los archivos suplementarios. Usar este código es para adquirir la señal de presión sensores de presión dual.
Nota: El código microcontrolador y controlador utilizado en este trabajo incluyen los pines de entrada analógicos con una resolución de 10 bits que leer las señales analógicas en el sensor de presión cada 200 ms para accionar los motores paso a paso. El número en el soporte de analogRead() corresponde a la clavija de entrada analógica conectada a la señal de salida de un circuito divisor de tensión en el circuito del sensor de presión en la figura 3. La variable demora representa el intervalo en el que se reevaluó la señal y la salida por lo tanto, en la EM. - Aplicar presiones conocidas a la entrada del sensor con la salida del tapón y medir la señal resultante de salida.
Nota: Un método simple para calibrar el sensor de presión utiliza un depósito con agua a distintas alturas. La presión gravitacional resultante detectada permite calibrar el sensor de presión. - Trazar el diagrama de calibración aplicadas presión (Pa) en el eje x y la señal de presión (V) en el eje y para obtener un valor numérico de la intersección.
- Aplicar este valor numérico en el código de controlador, como las variables sensor1Offset y sensor2Offset en el código de 'Dual_Pump_PID_Control.ino' de los Archivos suplementarios, para calibrar el valor de la presión en el sistema de control de retroalimentación.
5. captura de imágenes desde el dispositivo de microfluidos
- Conectar un microcontrolador a una computadora single-board de código abierto a través de una interfaz en serie para que la imagen captada por las medidas de presión de disparadores del microordenador por el microcontrolador.
- Conecte un módulo de cámara hecho para la computadora single-board para una de las piezas de ojo de un estereomicroscopio. Aquí, un aumento de X 20 se utiliza a la imagen de los dispositivos microfluídicos.
6. control de presión bombas de jeringa
- Abra el IDE para el microcontrolador de la abrir-fuente. Descargar el Timer.h13 y AccelStepper.h14 bibliotecas directorio de biblioteca IDE del microcontrolador.
- Descargar el código de controlador titulado 'Dual_Pump_PID_Control.ino' de los Archivos suplementarios. Este código se utiliza para controlar el sistema de bomba de jeringa retroalimentación controlada con dos bombas.
- Programar el código del controlador para que coincida con el experimento que está llevando a cabo. Modificación de los parámetros de control y los parámetros de sincronización para ajustar la respuesta deseada y la duración del experimento. Compilar y cargar el código en el microcontrolador antes de ejecutar el experimento.
Nota: En el código de controlador, valores de setPoint1/2 se utilizan para cambiar el nivel de presión y stepper1/2Los valores se utilizan para ajustar la velocidad de la bomba. Los dos últimos valores en la columna de stepper1/2 AccelStepper corresponden al número de puerto en el microcontrolador. La variable milliTiming dicta la frecuencia de lectura de la señal analógica de los sensores de presión y la variable printTiming dicta la frecuencia de salida de valores de velocidad y presión a un serial monitor para inspección. Todas las unidades están en el ms. que la variable maxError está determinada desde el nivel de lógica de la Junta de microcontrolador. Un valor de 5 se utiliza aquí como el microcontrolador en el presente Protocolo es de 5 V. - Encienda la fuente de alimentación para el sistema de bombas de jeringa. Ajustar la tensión de 10 V para la alimentación del motor paso a paso.
7. Ajuste los parámetros del controlador PID
Nota: Los valores de parámetro de controlador ideal pueden variar dependiendo de la aplicación y la geometría del dispositivo de microfluidos. Por ejemplo, para estudios a largo plazo (horas), una baja constante proporcional (Kp) puede ser preferible para minimizar la sobrepaso a expensas de tiempo de respuesta. Estos equilibrios dependen de objetivos y condiciones experimentales.
- Sintonizar el controlador, utilizando un enfoque manual, ajustando primero la constante proporcional (Kp) para mejorar el tiempo de respuesta de una función escalón.
Nota: Aunque enfoques algorítmicos pueden ser usada, manual tuning obras para las aplicaciones de microfluídica demostrado en este trabajo. - A continuación, alterar la integral (Ki) y diferencial parámetros (Kd) para minimizar el overshoot y asegurar una estabilidad de punto.
- Establecer los valores de PID para las variables de Kp, Ki y Kd en el código de controlador de Archivos suplementarios.
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Representative Results
Aquí, presentamos un protocolo para la construcción de una jeringa de control de retroalimentación sistema de bomba y demostrar su uso potencial para aplicaciones de microfluídica. La figura 1 muestra el sistema conectado de la bomba de la jeringuilla, sensor de presión, dispositivo de microfluidos, microcontrolador, circuito del sensor de presión y controlador de motor paso a paso. Llamadas detalladas para el montaje de la bomba de jeringa se muestran en la figura 2 y el circuito electrónico esquema de detección de la presión se presenta en la figura 3. El proceso de ajuste de los parámetros de controladores se muestra en la figura 4. Por último, un resultado representativo de control de presión de entrada en un dispositivo de microfluidos en forma de Y dos entrada se muestra en la figura 5.
Figura 1: configuración del sistema de bomba de jeringa controlados por retroalimentación. Esta imagen muestra la configuración del sistema de bomba de jeringa. La jeringa contiene la solución para inyección y es accionada por la bomba de jeringa impreso en 3D. Como A. está conectado el sensor de presión piezorresistivo con B. la bomba de la jeringuilla y C. el dispositivo de microfluidos, la presión del dispositivo es detectado y convertido en una señal eléctrica a la D. el circuito del sensor de presión con amplificador de instrumentación, una vez que el líquido se suministra a través de la tubería. La señal del sensor de presión es leída por el E. el microcontrolador open source del tablero que luego transmite la señal necesaria para F. el controlador de motor paso a paso para controlar el accionamiento de la bomba de jeringa. G. una fuente de alimentación y H. es necesario un ordenador portátil para operar y programar el sistema. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: foto montaje de la bomba de jeringa de impresión 3D. Esta figura muestra las instrucciones paso a paso para el montaje de la bomba de jeringa impreso en 3D, con las fotos correspondientes al procedimiento en el paso 1.2 del protocolo. A. esta imagen muestra los materiales para el montaje de la bomba de jeringa. B. esta imagen muestra cómo el motor paso a paso está conectado a la varilla roscada (paso 1.2.1). C. esta imagen muestra cómo la parte del paso 1.2.1 del protocolo está conectada a la parte del paso 1.2.2 del Protocolo (paso 1.2.3). D. Esta imagen muestra el montaje de la pieza de empuje del viajero (paso 1.2.5). E. esta imagen muestra cómo se conecta el tope (paso 1.2.10). F. esta imagen muestra cómo el pedazo de hembra jeringa émbolo está conectado a los componentes de ensamblado (paso 1.2.11). G. esta imagen muestra el montaje de la pieza de conector macho de émbolo de jeringa (paso 1.2.13). H. esta imagen muestra cómo se conecta la pinza de la jeringa (paso 1.2.14). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: ilustración para el circuito del sensor de presión y microcontrolador. El circuito permite que el tablero del microcontrolador medir señales de presión amplificada del sensor de presión. A. esta es la foto del montaje del circuito. B. esta figura muestra los diseños de circuitos. Los cables expuestos desde el sensor de presión son color-coded y debe estar conectados como sigue: rojo debe conectarse V +, negro debe conectarse V-, verde debe conectarse a la señal + y blanco debe conectarse a la señal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: ajuste de parámetros de control. Controlador PID utilizado para regular la presión de fluido de bomba de jeringa puede ajustarse modificando el proporcional (Kp), integral (Ki) y diferencial parámetros (Kd). A continuación, os mostramos cómo templar (usando Kp) ayudará a reducir el tiempo de respuesta. Más tuning (usando Ki y Kd) puede ayudar a asegurar una estabilidad de punto de ajuste y reducir el sobrepaso. En este protocolo, los controladores se ajustan principalmente utilizando un enfoque de ensayo y error manual. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Control de presión de entrada para un dispositivo de microfluidos del flujo laminar. Un dispositivo de microfluidos en forma de Y se fabrica siguiendo el procedimiento detallado en el paso 2 de este protocolo. El dispositivo cuenta con dos puertos de entrada y una salida. Se montan dos sistemas de bomba de jeringa para controlar las presiones de entrada. Una de las jeringas cargada con un tinte azul y el otro se carga con agua. A. estas imágenes del fluido resultante de la presión proporcionada por ambas bombas son capturadas mediante el método detallado en el paso 6 del presente Protocolo. B. esta figura muestra cómo las presiones de entrada son monitoreadas y controlados utilizando el controlador PID sintonizado en la figura 4. Se observa cumplimiento cercano al set point. Más corta (s) y experimentos (h) ya han demostrado resultados similares. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Aquí, presentamos un nuevo diseño para un sistema de bomba de jeringa con control de presión de circuito cerrado. Esto se logró mediante la integración de una bomba de jeringa impresa en 3D con un sensor de presión piezorresistivo y un microcontrolador open source. Mediante el empleo de un controlador PID, pudimos para precisamente controlar la presión de entrada y proporcionar rápidos tiempos de respuesta manteniendo al mismo tiempo la estabilidad de un punto de ajuste.
Muchos experimentos usando dispositivos microfluídicos requieren un control preciso de la fluídico y explotan un perfil de flujo laminar bien caracterizado. Ejemplos donde un perfil de flujo estable es importante incluyen experimentos que exploran de gradientes de concentración temporal y espacial15 y generan precisa fluídicos encapsulados para mayor análisis16. Usando un controlador PID para mantener la respuesta de alto rendimiento, el sistema descrito en el presente Protocolo produce la regulación de flujo y estabilidad a largo plazo necesario para el estudio de tales experimentos de flujo laminar.
Sin embargo, es importante reconocer que los dispositivos microfluídicos y experimentos que participen tienen diferencias y variaciones sutiles. Por ejemplo, microfluidos diferentes geometrías (altura y ancho de canal) pueden requerir perfiles de flujo diferentes. Como resultado, los parámetros para los controladores PID deben ajustarse en consecuencia. Además, algunos experimentos pueden requerir una regulación estrecha de las gamas de presión. En estos casos, el rebasamiento de la presión puede no ser aceptable. Como tal, los parámetros de control PID deben ajustarse para que el sobrepaso se reduce al mínimo, generalmente a expensas de tiempo de respuesta.
Debido a la producción de bajo costo de este sistema de bomba de jeringa, los investigadores deberían ser capaces de desarrollar rápidamente experimentos de microfluidos. El costo estimado para una bomba de jeringa impreso en 3D, el microcontrolador y el circuito del sensor de presión es de aproximadamente US$ 130. En contraste con las alternativas disponibles en el mercado, tales como peristálticas y bombas de recirculación, este sistema de bomba de jeringa proporciona una plataforma flexible y sencilla que puede adaptarse a una variedad de aplicaciones de laboratorio. Aunque no se discute aquí, estrategias de control más simples, tales como el control bang-bang, pueden usarse para estudios a largo plazo de la microfluídica. Además, pueden utilizarse los sistemas de bomba de jeringa para aplicar una presión de vacío a un volumen de control.
Una limitación potencial de este sistema de bomba de jeringa mediante un controlador PID es la dependencia de una fuente de alimentación constante. Porque el método de control PID requiere la energización constante del motor paso a paso, hay un requisito de energía relativamente grande. En cambio, el control bang-bang sólo energiza el motor paso a paso cuando sea necesario, usando mucho menos energía. Este requisito de energía puede ser mitigado mediante el desarrollo de una estructura de control híbrido que implementa un controlador PID para llegar inicialmente a un rango de punto de ajuste y entonces desenergiza las bobinas del motor paso a paso una vez que el valor de la presión dentro de un rango dado de la consigna. Como alternativa, deben utilizarse como un controlador simple bang-bang.
Además, este sistema de bomba de jeringa permite un funcionamiento flexible y control modificando el tamaño del motor de pasos y la jeringa de sí mismo. En experimentos anteriores, hemos utilizado jeringas de 1 mL, 5 mL, 10 mL y 30 mL. Naturalmente, cada bomba puede requerir parámetros del regulador PID ligeramente diferentes y, por lo tanto, requeriría ajuste parámetro individualizado. Sin embargo, esta flexibilidad permite que el sistema de bomba de jeringa que se describe en este protocolo para ser utilizado en una variedad de aplicaciones.
Cabe señalar que un área común de la falta de microdevice es la incapacidad para enlazar efectivamente la PDMS para el vidrio de la cubierta. Para la fabricación de dispositivos microfluídicos, debe optimizarse el poder del limpiador de plasma si el enlace es ineficaz. También, cualquier lubricantes o impurezas en la superficie de cubierta deben eliminarse antes de la vinculación para asegurar un fuerte vínculo con el PDMS. Bien lavado y eliminación de polvo del componente PDMS deben ayudar a asegurar que un buen sellado se forma entre el vidrio y el PDMS.
El sistema de bomba de jeringa de bajo costo, control de retroalimentación presentado aquí permite a los investigadores manipular el perfil de fluido con un alto grado de estabilidad de manera flexible. Integrando el módulo de sensores de presión con métodos simples de control PID, el sistema es capaz de proporcionar control de flujo de alto rendimiento impulsado por la presión. Esta herramienta se puede aplicar ampliamente en muchos campos de investigación donde la microfluídica herramientas están en uso.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Los autores reconocen el apoyo de la oficina de investigación Naval de premios N00014-17-12306 y N00014-15-1-2502, así como de la oficina de investigación científica de la fuerza aérea Premio FA9550-13-1-0108 y la ciencia nacional Fundación 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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