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Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
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.
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.
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.
1. stampa 3D e montaggio della pompa a siringa
2. preparazione del dispositivo microfluidico
3. siringa feedback-controllato sistema di pompaggio
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.
5. acquisizione di immagini dal dispositivo microfluidico
6. controllo pressione pompe a siringa
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.
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
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 util...
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
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.
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 |
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