Summary

Tredimensionella utskrift av termoplastiska material att skapa automatiserade sprutpumpar med Feedback kontroll för mikroflödessystem applikationer

Published: August 30, 2018
doi:

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för att konstruera en tryckstyrda sprutpumpen att användas i ultrakalla applikationer. Detta sprutpumpen är tillverkad av ett additivt tillverkade kropp, off-the-shelf hårdvara och öppen källkod elektronik. Resulterande systemet är billig, enkel att bygga, och levererar välreglerad vätskeflöde aktivera snabb mikroflödessystem forskning.

Abstract

Mikrofluidik har blivit ett viktigt verktyg i forskning över den biologiska, kemiska och fysikaliska vetenskaper. En viktig komponent mikroflödessystem experimenterande är en stabil system kan tillhandahålla exakt ett inlopp flöde eller inloppstryck för vätskehantering. Här har vi utvecklat en spruta pumpsystem kan styra och reglera vätska inloppstrycket levereras till en mikroflödessystem enhet. Detta system har utformats med billiga material och additiv tillverkning principer, att utnyttja tredimensionell (3D) utskrift av termoplastiska material och off-the-shelf komponenter när så är möjligt. Detta system består av tre huvudkomponenter: en sprutpump, en tryckgivare och en programmerbar mikrokontroller. Inom detta papper detalj vi en uppsättning protokoll för tillverkning, montering och programmering denna spruta pumpsystem. Dessutom har vi inkluderat representativa resultat som visar hög-trohet, återkopplad reglering av inloppstryck med detta system. Vi förväntar oss detta protokoll tillåter forskare att fabricera billig spruta pumpsystem, sänka inträdeshinder för användning av mikrofluidik i biomedicin, kemiska och materialforskning.

Introduction

Mikroflödessystem verktyg har blivit användbar för forskare i biologisk och kemisk forskning. På grund av låg volym utnyttjande, snabb mätning kapacitet och väldefinierade flöde profiler, mikrofluidik vunnit dragkraft i genomisk och proteomiska forskning, high-throughput screening, medicinsk diagnostik, nanoteknik och encelliga analys1,2,3,4. Dessutom kan flexibiliteten i ultrakalla enheten design lätt grundläggande vetenskap forskning, till exempel undersöka spatiotemporal dynamiken i odlade bakteriekolonier5.

Många typer av FluidInjection system har utvecklats för att leverera korrekt flöde till mikroflödessystem enheter. Exempel på sådana insprutningssystem peristaltiska och återcirkulation pumpar6, tryckregulator system7och spruta pumpar8. Dessa insprutningssystem, inklusive sprutpumpar, består ofta av dyra precisionstillverkade komponenter. Utöka dessa system med slutna återkopplad reglering av trycket i utdata flödet ökar kostnaden av dessa system. Svar utvecklat vi tidigare en robust, låg kostnad spruta pumpsystem som använder slutna återkopplad reglering för att reglera outputted flöde tryck. Genom att använda slutna tryckreglering, är behovet av dyra precisionstillverkade komponenter upphävt9.

Kombinationen av prisvärda 3D-printing hårdvara och en betydande ökning av tillhörande programvara med öppen källkod har gjort design och tillverkning av mikrofabricerade enheter alltmer tillgängliga för forskare från en mängd discipliner10. De system som används för att driva vätska genom dessa enheter är dock fortfarande dyra. För att bemöta detta behov för en låg kostnad styrsystem för vätska, utvecklat vi en design som kan fabriceras av forskare i labbet, som kräver endast ett litet antal församlingen steg. Trots dess låg kostnad och enkel montering, detta system kan ge exakt flödesreglering och tillhandahåller ett alternativ till kommersiellt tillgängliga, slutna spruta pumpsystem, som kan vara oöverkomligt kostsamma.

Här, vi tillhandahåller protokoll för konstruktion och användning av den slutna kontrollerade spruta pumpsystem vi utvecklat (figur 1). Den vätskehantering system består av en fysisk sprutpumpen inspirerad av en tidigare studie11, en mikrokontroller och dimensionerade tryckgivare. När monterade och programmerade med en proportionell-integral-derivat (PID) controller, är systemet kan leverera en välreglerad, tryck-driven flöde till mikroflödessystem enheter. Detta ger en låg kostnad och flexibelt alternativ till hög kostnad kommersiella produkter, möjliggör en bredare grupp av forskare att använda mikrofluidik i deras arbete.

Protocol

1. 3D-printing och montering av sprutpumpen Förbereda och 3D-print sprutan pumpkomponenter Ladda ner den. STL designfiler från Tilläggsfilerna detta papper.Obs: Det finns sex. STL-filer, med titeln ‘JoVE_Syringe_Platform.stl’, ‘JoVE_Syringe_Pump_End_Stop.stl’, ‘JoVE_Syringe_Plunger_Connectors.stl’, ‘JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size.stl’, ‘JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector.stl’, och ‘ JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.stl’, i tilläggsfilerna. Dessa…

Representative Results

Här presenterar vi ett protokoll för byggandet av en feedback-kontrollerade spruta pump system och demonstrera dess potentiella användningsområden för mikroflödessystem applikationer. Figur 1 visar det anslutna systemet av sprutpumpen, tryckgivare, ultrakalla enheten, microcontroller, pressure sensorkrets och stepper motor driver. Detaljerade bildtexter för spruta pump sammansättning redovisas i figur 2 och den elektronis…

Discussion

Här presenterade vi en ny design för en spruta pumpsystem med slutna tryckreglering. Detta uppnåddes genom att integrera en 3D-tryckt sprutpumpen med dimensionerade tryckgivare och en öppen källkod-mikrokontroller. Genom att anställa en PID-regulator, kunde vi exakt styra inloppstrycket och tillhandahålla snabba svarstider samtidigt bibehållen stabilitet om ett börvärde.

Många experiment använder mikroflödessystem enheter kräver en exakt fluidic kontroll och utnyttja en välkarak…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna erkänner support från Office of Naval Research awards N00014-17-12306 och N00014-15-1-2502, samt av Air Force Office för vetenskaplig forskning award FA9550-13-1-0108 och den nationella Science Foundation Grant nr 1709238.

Materials

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

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

Play Video

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

View Video