طابعة بيولوجية منخفضة التكلفة: 13 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

نحن فريق بحث بقيادة الطلاب الجامعيين في جامعة كاليفورنيا في ديفيس. نحن جزء من BioInnovation Group ، التي تعمل في TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab (المستشاران الدكتور مارك Facciotti ، وأندرو ياو ، ماجستير). يجمع المختبر بين الطلاب من خلفيات متنوعة للعمل في هذا المشروع (الهندسة الميكانيكية / الكيميائية / الهندسة الحيوية).

بعض المعلومات الأساسية عن هذا المشروع هي أننا بدأنا طباعة خلايا الأرز المعدلة وراثيًا بالتعاون مع الدكتورة كارين ماكدونالد من قسم ChemE بهدف تطوير طابعة بيولوجية منخفضة التكلفة لجعل الطباعة الحيوية في متناول المؤسسات البحثية. في الوقت الحالي ، تبلغ تكلفة الطابعات الحيوية المنخفضة التكلفة حوالي 10 آلاف دولار بينما تبلغ تكلفة الطابعات الحيوية المتطورة حوالي 170 ألف دولار. وفي المقابل ، يمكن تصنيع طابعتنا بحوالي 375 دولارًا.

اللوازم

القطع:

1. Ramps 1.4:
2. اردوينو ميجا 2560: https://www.amazon.com/Elegoo-EL-CB-003-ATmega2560 …
3. محركات السائر:
4. محرك متدرج إضافي (اختياري)
5. شعاع صانع 2 × 1 بوصة
6. جهاز مرفق شعاع صانع
7. مسامير M3 بأحجام متنوعة
8. صواميل M3 x2
9. قضيب ملولب 8 مم
10. 8 ملم الجوز
11. 608 تحمل
12. الموثق كليب
13. خيوط
14. Monoprice V2
15. العلاقات البريدية
16. صواميل ضبط الحرارة M3 عرض 2 مم

أدوات:

1. لقم الثقب بأحجام مختلفة
2. ثاقب
3. الحفر الصحافة
4. منشارا
5. لحام الحديد + جندى
6. متجرد الأسلاك
7. كماشة الأنف إبرة
8. مفاتيح سداسية بأحجام مختلفة

مستلزمات المعمل:

1. أطباق بتري قطرها 70 مم
2. محقنة 60 مل بطرف قفل لور
3. حقنة 10 مل مع طرف قفل لور
4. تركيبات Luer-lock
5. أنابيب للتجهيزات
6. موصل T للأنابيب
7. جهاز الطرد المركزي
8. أنابيب الطرد المركزي 60 مل
9. مقياس
10. تزن القوارب
11. فرن الضغط
12. أكواب
13. تخرج الاسطوانة
14. 0.1M محلول CaCl2
15. الاغاروز
16. الجينات
17. ميثيل سلولوز
18. السكروز

برمجة:

1. Fusion 360 أو Solidworks
2. اردوينو IDE
3. مضيف مكرر
4. Ultimaker Cura 4

الخطوة 1: اختيار طابعة ثلاثية الأبعاد

لقد اخترنا طابعة Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 كطابعة ثلاثية الأبعاد لبدء التشغيل. تم اختيار هذه الطابعة نظرًا لتكلفتها المنخفضة وتوفرها العالي. بالإضافة إلى ذلك ، يتوفر بالفعل نموذج ثلاثي الأبعاد عالي الدقة للطابعة مما جعل التصميم أسهل. سيتم تصميم هذا التوجيه خصيصًا لهذه الطابعة المحددة ولكن يمكن استخدام عملية مماثلة لتحويل طابعات FDM الشائعة الأخرى وآلات CNC.

نموذج عالي الدقة:

الخطوة الثانية: الطباعة ثلاثية الأبعاد

قبل تفكيك طابعة Monoprice ، يجب طباعة عدة أجزاء ثلاثية الأبعاد لتعديل الطابعة ثلاثية الأبعاد. هناك إصدارات من آلات لصق اللصق ، واحدة تتطلب إبوكسي وأخرى لا تتطلب ذلك. الذي يتطلب الايبوكسي هو أكثر إحكاما ولكن أكثر صعوبة في التجميع.

الخطوة 3: تحضير الطابعة للتعديل

يجب إزالة لوحة البرج الأمامية والغطاء السفلي ولوحة التحكم. بمجرد إزالة الجزء السفلي ، افصل جميع الأجهزة الإلكترونية عن لوحة التحكم وأزل لوحة التحكم.

الخطوة 4: التركيب القابل للتبديل

يتطلب كل من الجسم 1 والجسم 14 صامولتين لمجموعة الحرارة. يتم تثبيت الجسم 1 على إطار الطابعة بواسطة مسامير ملولبة M3 مخفية تحت الحزام. يمكن الكشف عن البراغي عن طريق إزالة شداد الحزام وسحب الحزام إلى جانب واحد.

الخطوة 5: مفتاح المحور Z

يتم تغيير موضع مفتاح المحور Z بحيث يمكن استخدام أي إبرة طول أثناء تسلسل التوجيه بدون تعويض في البرنامج. يجب تثبيت المفتاح ببراغي 2 M3 بهيكل الطابعة مباشرة أسفل رأس الطباعة بالقرب من سرير الطباعة قدر الإمكان.

الخطوة 6: الأسلاك

يتم إجراء الأسلاك وفقًا لمعايير Ramps 1.4. ما عليك سوى اتباع مخطط الأسلاك. قطع وأسلاك القصدير حسب الحاجة للكتل الطرفية. قد تحتاج بعض الأسلاك إلى التمديد.

الخطوة 7: الايبوكسي الطارد

في حين أن هذا الطارد يستغرق وقتًا أقل للطباعة ، إلا أنه يستخدم الإيبوكسي الذي يزيد من إجمالي وقت الإنشاء إلى أكثر من 24 ساعة. يجب أن يتم ربط القضيب الملولب 8 مم إلى المحمل 608 ويجب أن يتم إيبوكسيد المحمل على القطعة المطبوعة ثلاثية الأبعاد الجسم 21. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يتم إيبوكسيد الجوز الخاص بالقضيب الملولب إلى الجسم 40. بمجرد أن يتم معالجة الإيبوكسي بالكامل ، فإن المطاط يمكن تركيب أطراف من مكابس المحاقن 60 مل و 10 مل على Body 9 و Body 21 ، على التوالي. لا يمكن العثور على تركيب T مناسب لذلك تم تصنيع واحد خام من أنابيب نحاسية 6 مم ولحام. يعمل الطارد كنظام هيدروليكي يدفع Bioink خارج الغرفة السفلية للمحقنة سعة 10 مل. يمكن إخلاء الهواء من النظام عن طريق هز الأنابيب بقوة أثناء الإمساك بتركيب T عند أعلى نقطة.

الخطوة 8: الطارد معجون عادي

يمكن ببساطة ربط هذا الطارد ببعضه البعض. الجانب السلبي لهذا الطارد هو أنه أكبر حجمًا وله رد فعل عكسي مرتفع.

الخطوة 9: الخطوة 9: برنامج Arduino الثابت

يحتاج Arduino إلى برنامج ثابت لتشغيل برامج تشغيل السائر والإلكترونيات الأخرى. اخترنا Marlin لأنه مجاني ويمكن تعديله بسهولة باستخدام Arduino IDE ومدعوم جيدًا. لقد قمنا بتعديل البرامج الثابتة الخاصة بأجهزتنا المحددة ، ولكن من السهل جدًا تعديلها للطابعات الأخرى نظرًا لأنه تم التعليق على جميع التعليمات البرمجية وتوضيحها بوضوح. انقر نقرًا مزدوجًا فوق ملف MonopriceV2BioprinterFirmware.ino لفتح ملفات تكوين marlin.

الخطوة 10: ملف تعريف Cura

يمكن استيراد ملف تعريف Cura إلى Ultimaker Cura 4.0.0 واستخدامه لإنشاء شبكات ذات مساحة سطح عالية لاستخدامها في مفاعل الإسراف. لا يزال توليد Gcode للطابعة تجريبيًا للغاية ويتطلب الكثير من الصبر. مرفق أيضًا رمز اختبار لمفاعل إسراف دائري.

الخطوة 11: تغيير Start G-code

الصق هذا الرمز في بدء إعداد G-code:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

م 82

G92 E0

في Repetier ، لتعديل بدء Gcode ، انتقل إلى slicer-> Configuration-> G-codes-> ابدأ G-codes. من الضروري تعديل قيمة G92 Z لكل حالة معينة. قم بزيادة القيمة ببطء حتى تصبح الإبرة هي المسافة المطلوبة من سطح طبق بتري في بداية الطباعة.

الخطوة 12: عمل Bioink

عملية تطوير Bioink مناسبة للتطبيق معقدة. هذه هي العملية التي اتبعناها:

ملخص

هيدروجيل مناسب للخلايا النباتية الحساسة للقص وله مسامات كبيرة مفتوحة للسماح بالانتشار. يتكون الهيدروجيل عن طريق إذابة الاغاروز ، الجينات ، ميثيل السلولوز ، والسكروز في الماء منزوع الأيونات وإضافة الخلايا. يكون الجل لزجًا حتى يتم علاجه باستخدام 0.1 م كلوريد الكالسيوم ، مما يجعله قويًا. يتشابك محلول معالجة كلوريد الكالسيوم مع الجينات لجعله قويًا. الجينات هي قاعدة الهلام ، والميثيل سلولوز يجانس الهلام ، ويوفر الاغاروز مزيدًا من التركيب لأنه يتبلور في درجة حرارة الغرفة. يوفر السكروز الغذاء للخلايا لتستمر في النمو في الهيدروجيل.

لمحة موجزة عن بعض تجارب التحقق من الهلام

اختبرنا الهلاميات المائية المختلفة بكميات متفاوتة من الاغاروز وسجلنا تناسقها ، ومدى سهولة طباعتها ، وما إذا كانت تغرق أو تطفو في محلول المعالجة. أدى انخفاض نسبة الألجينات إلى جعل الجل شديد السيولة ولم يتمكن من الحفاظ على شكله بعد الطباعة. أدت زيادة نسبة الألجينات إلى جعل محلول المعالجة يعمل بسرعة كبيرة ، بحيث يعالج الجل قبل الالتصاق بالطبقة العليا. تم تطوير هيدروجيل يحافظ على شكله ولا يعالج بسرعة كبيرة باستخدام 2.8٪ بالوزن الجينات.

كيفية تطوير هيدروجيل

المواد

الاغاروز (0.9٪ بالوزن)

ألجينات (2.8٪ بالوزن)

ميثيل سلولوز (3.0٪ بالوزن)

السكروز (3.0٪ بالوزن)

كلوريد الكالسيوم. 1 م (147.001 جم / مول)

درهم 20

مجاميع الخلايا

2 أكواب مغسولة ومجففة

1 ملعقة خلط

ورق ألومنيوم

وزن ورق بلاستيك

تخرج اسطوانة

إجراء

صنع الهيدروجيل:

1. قم بقياس كمية محددة من ddH20 بناءً على كمية محلول الجل الذي تريد تحضيره. استخدم الاسطوانة المتدرجة للحصول على حجم معين من ddH20.
2. سيحتوي محلول الهيدروجيل على ألجينات (2.8٪ بالوزن)) وأغاروز (0.9٪ بالوزن) وسكروز (3٪ بالوزن) وميثيل سلولوز (3٪ بالوزن). سيتم قياس الأجزاء المناسبة من مكونات محلول الهيدروجيل باستخدام ورق الوزن البلاستيكي.
3. عند الانتهاء من وزن جميع المكونات ، أضف 20 درهمًا ، والسكروز ، والأغاروز ، وأخيرًا ألجينات الصوديوم إلى أحد الأكواب الجافة. حركي الدوامات للخلط ولكن لا تستخدمي الملعقة للخلط لأن المسحوق سوف يلتصق بالملعقة.
4. بمجرد الخلط ، لف الجزء العلوي من الدورق بورق الألمنيوم بشكل صحيح وقم بتسمية الدورق. أضف قطعة من شريط الأوتوكلاف إلى الجزء العلوي من الرقاقة.
5. ضع ميثيل السلولوز المتبقي في الدورق الجاف الآخر ولفه بورق الألمنيوم مثل الدورق السابق. قم بتسمية هذا الدورق وأضف قطعة من شريط الأوتوكلاف إلى الجزء العلوي من الرقاقة.
6. لف ملعقة واحدة في ورق الألمنيوم وتأكد من عدم تعرض أي منها. أضف شريط الأوتوكلاف إلى الملعقة الملفوفة.
7. الأوتوكلاف 2 كوب وملعقة واحدة عند 121 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة أثناء دورة التعقيم. لا تستخدم الأوتوكلاف في دورة معقمة وجافة.
8. بمجرد اكتمال دورة الأوتوكلاف ، اترك الجل يبرد إلى درجة حرارة الغرفة وبمجرد وصوله ، ابدأ في التشغيل في خزانة السلامة البيولوجية.
9. تأكد من غسل يديك وذراعيك واستخدام تقنية التعقيم المناسبة بمجرد تشغيلها في خزانة السلامة الأحيائية. تأكد أيضًا من عدم التلامس المباشر مع الأشياء التي تلامس الجل أو تكون قريبة من الجل (على سبيل المثال: نهاية الخلط للملعقة ، أو منطقة رقائق الألومنيوم الموجودة فوق الجل)
10. في خزانة السلامة الأحيائية ، قم بخلط ميثيل السلولوز في الجل للحصول على انتشار متجانس. بمجرد الانتهاء من الخلط ، أعد لف الجزء العلوي من محلول الهلام المختلط وضعه في الثلاجة طوال الليل.
11. من هنا يمكن استخدام الجل لإدخال الخلايا أو لاستخدامات أخرى مثل الطباعة.

إضافة الخلايا:

1. قم بتصفية الخلايا حتى تكون بالحجم نفسه. إجراء التصفية لدينا هو

   كشط الخلايا برفق من طبق بتري واستخدم غربال 380 ميكرومتر لتصفية الخلايا.

2. قم بخلط الخلايا المفلترة برفق في محلول الهيدروجيل باستخدام ملعقة مسطحة الرأس لتجنب فقد الخليط (الذي تم تعقيمه).
3. بعد خلط الخلايا بفقاعات الطرد المركزي
4. من هنا اكتمل هيدروجيل ويمكن استخدامه للطباعة والمعالجة والتجارب المستقبلية.

كيفية تطوير محلول المعالجة (0.1 م كلوريد الكالسيوم ، CaCl2)

المواد

كلوريد الكالسيوم

درهم 20

السكروز (3٪ بالوزن)

الإجراء (لعمل 1 لتر من محلول المعالجة)

1. قم بقياس 147.01 جم كلوريد الكالسيوم ، 30 مل سكروز ، 1 لتر ddH20.
2. امزج كلوريد الكالسيوم والسكروز و ddH20 في وعاء أو وعاء كبير.
3. اغمر الجل في محلول المعالجة لمدة 10 دقائق على الأقل حتى يتم علاجه.

الخطوة 13: اطبع

من الناحية النظرية ، يعد Bioprinting بسيطًا للغاية ؛ ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، هناك العديد من العوامل التي يمكن أن تسبب الفشل. باستخدام هذا الجل ، وجدنا أنه يمكن القيام بالعديد من الأشياء لتحقيق أقصى قدر من النجاح لتطبيقنا:

1. استخدم كميات صغيرة من محلول CaCl2 لمعالجة الجل جزئيًا أثناء الطباعة ،
2. استخدم منشفة ورقية في أسفل طبق بتري لزيادة الالتصاق
3. استخدم منشفة ورقية لنشر كميات صغيرة من CaCl2 بالتساوي على النسخة المطبوعة بالكامل
4. استخدم شريط تمرير flowrate في Repetier للعثور على معدل التدفق الصحيح

للتطبيقات المختلفة والمواد الهلامية المختلفة ، قد يلزم استخدام تقنيات مختلفة. تم إنشاء الإجراء الخاص بنا على مدى عدة أشهر. الصبر هو المفتاح.

حظًا سعيدًا إذا حاولت هذا المشروع ولا تتردد في طرح أي أسئلة.

الجائزة الأولى في مسابقة Arduino 2019