Tredimensionella utskrift av termoplastiska material att skapa automatiserade sprutpumpar med Feedback kontroll för mikroflödessystem applikationer
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
Representative Results
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
- 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).
- Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (9), 554-567 (2015).
- 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).
- Kim, Y., Langer, R. Microfluidics in nanomedicine. Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine. 1, 127-152 (2015).
- Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), (2017).
- Kong, D. S., et al. Open-source, community-driven microfluidics with metafluidics. Nature Biotechnology. 35 (6), 523-529 (2017).
- Wijnen, B., Hunt, E. J., Anzalone, G. C., Pearce, J. M. Open-source syringe pump library. PLoS One. 9 (9), e107216 (2014).
- Ferry, M. S., Razinkov, I. A., Hasty, J. Microfluidics for synthetic biology: from design to execution. Methods in Enzymology. , 295-372 (2011).
- . Arduino Libraries for Timer.h Available from: https://github.com/JChristensen/Timer (2018)
- . Arduino Libraries for AccelStepper.h Available from: https://github.com/adafruit/AccelStepper (2018)
- Lin, F., et al. Generation of dynamic temporal and spatial concentration gradients using microfluidic devices. Lab on a Chip. 4 (3), 164-167 (2004).
- 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).
