Трехмерная печать термопластических материалов для создания автоматических насосов шприц с обратной связью для Microfluidic приложений

Резюме

Здесь мы представляем протокол для создания давления контролируемой шприцевый насос для использования в приложениях microfluidic. Этот шприцевый насос изготовлен из аддитивно выпускаемой тела, готовое оборудование и электроника открытым исходным кодом. Результирующая система лоу кост, просто построить и обеспечивает четко регулируемого потока жидкости для включения быстрого microfluidic исследований.

Аннотация

Микрофлюидика стала важнейшим инструментом в исследованиях биологических, химических и физических наук. Одним из важных компонентов microfluidic экспериментов является стабильная жидкость, обработка системы, способной точно обеспечивая скорость потока входного или входного давления. Здесь мы разработали шприц насос системы, способной контролировать и регулирования давления жидкости на входе доставлен microfluidic устройство. Эта система была разработана с использованием недорогих материалов и принципы аддитивного производства, используя трехмерные (3D) печать термопластичных материалов и готовых компонентов, когда это возможно. Эта система состоит из трех основных компонентов: шприцевый насос, датчики давления и программируемый микроконтроллер. В настоящем документе мы подробно набор протоколов для изготовления, монтаж и программирование этой системы насоса шприца. Кроме того мы включили представителя результаты, которые демонстрируют высокой четкости, контроль давления на входе, с помощью этой системы обратной связи. Мы ожидаем, что этот протокол позволит исследователям для изготовления шприц лоу кост насосные системы, снижая барьеры для использования микрофлюидика в медико-биологических, химических и материалы исследования.

Введение

Microfluidic инструменты стали полезными для ученых в биологических и химических исследований. Из-за низкого объема использования, возможности быстрого измерения и четко потока профили, микрофлюидика получила тяговых в геномной и протеомических исследований, высокопроизводительного скрининга, медицинской диагностики, нанотехнологии и одноклеточного анализ^1,2,3,4. Кроме того гибкость конструкции устройства microfluidic легко позволяет базовых научных исследований, например расследование пространственно-временных динамика культивировали бактериальных колоний⁵.

Для точно доставить поток microfluidic приборы были разработаны многие типы систем впрыска жидкости. Примерами таких систем впрыска перистальтические и рециркуляционные насосы⁶, регулятор давления систем⁷и шприц насосы⁸. Эти системы впрыска, включая насосы шприц, часто состоят из дорогих точность инженерии компонентов. Расширение этих систем с обратной связью контроля давления в поток выходных данных добавляет к стоимости этих систем. В ответ мы ранее разработанных надежных, недорогих шприц насоса система, которая использует замкнутой обратной связью для регулирования давления выводимый потока. С помощью давления замкнутого цикла управления, потребность в дорогостоящих компонентов, точности инженерии является отменены⁹.

Сочетание доступного аппаратного 3D-печати и значительный рост связан с открытым исходным кодом сделал более доступным для исследователей из различных дисциплин¹⁰дизайн и изготовление microfluidic приборы. Однако систем, используемых для привода жидкости через эти устройства по-прежнему дорого. Для удовлетворения этой потребности для лоу кост жидкости управления системы, мы разработали дизайн, который может быть изготовлена исследователями в лаборатории, требуя лишь небольшое количество шагов сборки. Несмотря на ее недорогой и простой Ассамблеи эта система может обеспечить точное потока управления и предоставляет альтернативу коммерчески доступных, замкнутая шприц насосные системы, которые могут быть дорогими.

Здесь, мы предоставляем протоколы для строительства и использования замкнутой контролируемых шприцов насоса системы, мы разработали (рис. 1). Жидкость, система обработки состоит из физического шприцевый насос Вдохновленный предыдущего исследования¹¹, микроконтроллер и Пьезорезистивный сенсор давления. Когда собрались и запрограммированы с контроллером (PID) пропорционально интеграл производная, система способна доставлять хорошо регулируемых, давление ориентированный поток microfluidic приборы. Это обеспечивает лоу кост и гибкой альтернативой высокой стоимостью коммерческих продуктов, что позволяет более широкой группы исследователей использовать микрофлюидика в их работе.

протокол

1. 3D-печати и собраний шприцевый насос

1. Подготовить и 3D-печать шприц насоса компоненты
   1. Скачать. Дизайн файлов STL из Дополнительных файлов данного документа.
      Примечание: Есть шесть. STL файлов, под названием «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», и ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.STL', Дополнительные файлы. Эти файлы соответствуют 3D-печати компонентов насоса шприца.
   2. Подготовьте эти файлы для печати, открывая их в пакет программного обеспечения, посвященный преобразования. STL файлов модели для исполняемых инструкций наборы для 3D-принтера используется. Убедитесь, что соответствующее программное обеспечение используется как некоторые принтеры потребует проприетарное программное обеспечение, тогда как другие могут быть способны печатать непосредственно из. Файл STL.
   3. Печать пластиковых компонентов, с помощью акрилонитрил бутадиен стирола (ABS) с параметром высокого качества 3D-принтер. Если используются другие общие материалы 3D-печати, например полимолочной кислоты (НОАК) или других термопластичных эластомеров, убедитесь, что закончил механических свойств (например, эластичность, текучести) сопоставимы с АБС.
   4. Отсоедините печатной части от платформы печати 3D-принтер. Удаление печатных несущей конструкции из готовых деталей.
      Примечание: Несущая структура разработан принтер конкретного программного обеспечения, используемого для преобразования. STL файлов модели для исполняемых инструкций набор для 3D-принтер. Объем и структура вспомогательных материалов может различаться в зависимости от используемого программного обеспечения.
   5. Гладкие печатных компоненты путем шлифования любого шероховатостей с помощью наждачной бумаги. Для достижения наилучших результатов используйте наждачную бумагу с размером примерно 220 зернистости. Убедитесь, что все компоненты являются гладкими перед сборкой.
   6. Убедитесь, что все семь частей были напечатаны.
      Примечание: Эти части были названы следующие: (I) мотор соединитель Push путешественник (II), (III) конец остановить, платформа шприца (IV), (V) шприц зажим, вилка на поршень шприца (VI) и (VII) шприц плунжерный разъем. Римская цифра для каждого компонента называется в рисунке 2A. Подробный список деталей для сборки находится в Таблице материалов.
2. Собрать шприцевый насос (Рисунок 2)
   1. Закрепите шагового двигателя на резьбовой стержень с помощью вала электродвигателя Z-axis гибкие муфты с винты. Прежде чем продолжить, убедитесь, что вращающиеся диски вала двигателя шаговых резьбовой стержень без проскальзывания.
   2. Соедините платформу шприц с мотор нажатием твердо шприц платформы подключения колышки в соответствующие отверстия на верхней части мотора соединитель.
   3. Прикрепите части собраны в шаг 1.2.1 с частью в шаге 1.2.2, крепление винтами 16 мм через соединитель, мотор.
   4. Вставьте две линейные подшипники и 0,8 мм шестигранную гайку в отверстий, расположенных на нижней части путешественник push.
   5. Совместите резьбовые штифты на разъеме электродвигателя через 0,8 мм шестигранную гайку в push путешественник.
   6. Вставьте два валы для линейной техники через путешественник push и мотор соединитель.
   7. Место два шестигранной гайки в гексагональной пространствах мотор разъем кусок и затем с помощью двух винтов 16 мм Затяните соединения, обеспечение валы для линейной техники от переезда.
   8. Вставьте шарикоподшипник в середине отверстие конечной остановки.
   9. Соедините концевой ограничитель с сборных компонентов из шага 1.2.7.
   10. Место два шестигранной гайки в гексагональной пространствах конца остановить кусок, а затем использовать два винта 16 мм для затягивания соединения наносить конечной остановки Ассамблее.
   11. Прикрепите кусок разъем поршень шприца на кусок толчок путешественник, используя две стальные стопорные гайки и два винта, 16 мм.
   12. Место 10 мл шприц на верхней части насоса. Обеспечить руководитель поршень выравнивается в паз кусок разъем поршень шприца и верхней части ствола шприц фиксируется в слот мотор соединителя.
   13. Вставьте разъем кусок поршень шприца в разъем поршень шприца. Убедитесь, что имеется плотное прилегание между компонентами мужского и женского пола, обеспечение поршень на месте.
   14. Соедините зажим шприц шприц платформы, с помощью двух шестигранной гайки и два винта 35 мм, гарантируя шприц ствол фиксируется в слот зажима шприца.

2. Microfluidic устройства подготовка

1. Изготовить мастер формы с помощью фотолитографии
   Примечание: Процедура подробно дизайн и изготовление мастер-форм для изготовления устройства microfluidic может найти в предыдущих литературы¹².
   1. С помощью программного обеспечения предпочтительного компьютерного проектирования (CAD), создайте необходимые рисунки для photomask и распечатать его на стекло или кварц пластину.
      Примечание: Другие материалы могут быть приемлемым на основании требований маски выравниватель использован. Печатание этих фотошаблонов обычно дополняется сторонних поставщиков.
   2. Для создания мастер плесень от photomask используйте методы фотолитографии. Эту процедуру можно выполните в среде «чистых комнат».
   3. Разоблачить сфабрикованные мастер плесень fluorosilane паров в вакуумный сушильный шкаф.
      Примечание: Этот процесс содействует освобождению полидиметилсилоксан (PDMS) из главной формы, при изготовлении microfluidic приборы. Для лечения мастер плесень, добавить три капли fluorosilane в стакан и поместите стакан в вакуумной камере.
   4. Применить вакууме за 1 мин закрыть вакуумной камеры, но сохранить мастер плесень в камере для 30 минут, чтобы позволить для осаждения fluorosilane. Предосторожности выполните эту процедуру в вытяжной шкаф для ограничения воздействия опасных fluorosilane паров.
2. Изготовить PDMS устройств
   1. Весят PDMS предварительно полимера в лодке весят. Хотя требуемой толщины конечного устройства PDMS может варьироваться, 30 g предварительной полимера работает хорошо для мастер формы диаметром 100 мм.
   2. Измерить и добавления отвердителя в 1:10 отношение к предварительно полимера. Для главной формы диаметром 100 мм добавьте 3 g отвердителя.
   3. Энергично смесь предварительно полимера и полимеризации агента вручную с использованием одноразовых шпателем. После 30 s, проверьте, что есть небольшие, регулярно отделены пузырьков воздуха в растворе, указанием предварительных полимера и отверждения агенты перемешанных.
   4. Мастер плесень в тарелку культуры и осторожно влить PDMS смесь на вершине главной формы.
      Примечание: Желаемую толщину PDMS устройства может отличаться в зависимости от его применения.
   5. Дега смесь в вакуумного эксикатора за 1 час убедитесь, что нет пузырьков наблюдаются в смеси. Если есть любые пузыри настоящее, быстро отпустите вакуумного давления и затем повторно вакууме. Разрешить смесь сидеть в течение по крайней мере 10 мин после этой процедуры.
   6. Переместить PDMS смесь в духовке на 90 ° C. Позвольте смеси вылечить за 30 мин.
   7. Удаление PDMS из главной формы. Нарежьте PDMS нужные размеры с помощью лезвия бритвы. Надевайте перчатки, чтобы ограничить воздействие загрязнителей на PDMS.
   8. Пробейте отверстия для впускных и выпускных отверстий с иглой 23 G дозирования. Чтобы облегчить этот процесс, файл иглой с металлической файл или наждачной бумагой, чтобы заточить тупыми концами. Убедитесь, что прерывистого цилиндр PDMS удаляется из иглы после каждого прокола.
      Примечание: Иглы с разными размерами может использоваться для пробивки отверстий. Убедитесь, что размер чуть больше, чем иглы, используемые на шаге 3 настоящего Протокола.
   9. Вымойте PDMS отфильтрованных деионизированной водой и просушите PDMS, с использованием с 0,2 мкм фильтром источника воздуха или азота.
      Примечание: Точное давление не является критическим, и источник сжатого газа из центральной системы здания хорошо работает для этого шага.
   10. Очистить № 1 боросиликатное стекло покровное субстрат с ПАВ, например, стиральный порошок и просушите его с помощью источника сжатого воздуха с 0,2 мкм фильтром. Тщательно очистите его как Стекло покровное часто покрыты гидрофобная смазка и не в состоянии связать PDMS, если он надлежащим образом очищены.
   11. С помощью чувствительных к давлению ленты, слегка касаясь PDMS для удаления остатков пыли. Для обеспечения функции формованные не нарушена, не нажимайте с большим количеством силы на ленте.
   12. Поместите устройство PDMS и очищенного стекла Крышка кислорода плазмы, очиститель для 1 мин обеспечить цвет от камеры чистого плазмы является Яркий пурпурный во время процесса. Убедитесь, что устройство PDMS имеет свои формованные особенности подвергаются, лицом вверх, в плазме чище.
   13. Возьмите PDMS и крышка стекла из плазмы более чистых и место покровным стеклом, лицом вниз, на устройство PDMS.
       Примечание: Это вызовет покровным стеклом и PDMS для склеивания почти сразу. Если привязка не видна, аккуратно нажмите крышки стекла PDMS в разделе PDMS лишенный формованные функции. Это должно вызывать связь между PDMS и покровным стеклом.
   14. Поставьте устройство PDMS в духовке при 90 ° C для по крайней мере 12 h обеспечить PDMS и Стекло покровное хорошо кабального.

3. Обратная связь контролируемого шприц насосной системы

1. Удаление соответствующей суммы длины изоляция провода и экранирование от электрического кабеля датчика давления с помощью бритвы. Будьте нежны, при резке чтобы убедиться, что провода не скомпрометированы выше желаемой длины. После удаления изоляции и экранирование, подключить провода к мужской прямоугольные соединители.
2. Используя аналогичный подход к предыдущему шагу, удалить 1-2 см изоляции провода из шагового двигателя приводит и подключите провода к мужской прямоугольные соединители.
3. Прикрепите шприц на входной стороне датчика давления. Подключение подачи иглой 22 G на выходе датчика давления.
4. Один конец 0,51 см диаметр трубы скользить дозирования иглой 22 G, придает датчик давления.
5. Скользить дозирования иглой 22 G, который может быть подключен к устройству microfluidic другой конец 0,51 см диаметр трубы. Подключите иглы к впускное отверстие microfluidic устройства.
6. Подключите выход порт microfluidic устройства к водохранилище отходов с помощью иглой 22 G и 0,51 см диаметр труб, похож на всасывающий канал связи.
7. Соберите электронных схем на макет прототипирования согласно схеме на рисунке 3.
   Примечание: Этот макет служит для состояния сигнала от датчика давления под контролем микроконтроллера. Другие совместимые микроконтроллеры могут использоваться для мониторинга сигнала датчика давления.
8. Подключите провода от шаговый двигатель с шаговый мотор драйвера. Подключите провода от датчика давления и шаговый мотор драйвера с макет по схеме на рисунке 3. Оголенные проводa от датчика давления цветом и должен быть подключен следующим: красный должен подключаться к V +, черный должны подключаться к V-, следует подключиться зеленый сигнал + и белые должны подключаться к сигнал-.
9. Подключите выходной сигнал от макетов с аналогового ввода pin на микроконтроллер.
10. Соедините логика ввода ПИН шаговый мотор драйвера с цифровых выходов на микроконтроллер. ШАГ ввода на шаговый мотор драйвера связана с портом пульс ширина модуляцией (ШИМ) цифровых выходов на микроконтроллер, обозначается ' ~' знак.
11. Подключите источник питания с макет согласно схеме на рисунке 3. Установите блок питания до 10 V для макетов и шаговый мотор драйвера.

4. Калибровка датчика давления

Примечание: Основываясь на усилитель, выбранный в этом документе, формула для расчета выгоды является G = 5 + (200k/R_G) с R_G = R1 и G = усиления усилителя. Коэффициент усиления усилителя здесь находится примерно 606. Это значение может быть изменено путем изменения сопротивления, используемые для R1. Кроме того как уровень логики микроконтроллер Совета 5 V и инструментирования питается с 10 V, простой Делитель напряжения цепи, R2 и R3, используется для защиты выходной сигнал будет не более чем 5 V.

1. Загрузите и установите соответствующие разработки среды (IDE) для микроконтроллера.
2. Скачайте код контроллера, под названием «Pressure_Sensing.ino» из дополнительных файлов. Используйте этот код является приобретение давления сигнала от датчиков двойного давления.
   Примечание: Контроллер и микроконтроллер код, используемый в настоящем документе включают аналогового ввода булавки с разрешением 10-бит, гласивший аналоговые сигналы от датчика давления каждые 200 мс для приведения в действие шаговых двигателей. Количество analogRead() в кронштейн соответствует аналогового ввода ПИН, подключенных к выходной сигнал с делителя напряжения замыкания в цепи датчика давления на рисунке 3. Представляет интервал задержки переменная которой переоценка сигнал и выход соответственно, в мс.
3. Применить известных давлений на входе датчика с выходом ограничен и измерить результирующий выходной сигнал.
   Примечание: Простой метод для калибровки датчика давления использует резервуар с водой, состоявшейся на различной высоте. Результате гравитационного давления обнаружены позволит калибровки датчика давления.
4. На оси x и сигнал давления (V) на оси y чтобы получить числовое значение y пересечение на участке схеме калибровки давление (ПА).
5. Применить это числовое значение в коде контроллера, например sensor1Offset и sensor2Offset переменные в коде «Dual_Pump_PID_Control.ino» Дополнительные файлы, для калибровки значение давления в системе управления обратной связи.

5. захват изображения от Microfluidic устройства

1. Соединение микроконтроллера с открытым исходным кодом одноплатный компьютер через последовательный интерфейс, чтобы изображения захвачен измерения давления микрокомпьютер триггеры должны быть приняты микроконтроллера.
2. Подключите модуль камеры, сделал для одноплатный компьютер к одному из глаз кусочки стереомикроскопом. Здесь 20 X увеличением используется для устройства microfluidic изображения.

6. Управление шприц насосы давления

1. Откройте IDE для микроконтроллера открытым исходным кодом. Скачайте Timer.h¹³ и¹⁴ библиотек AccelStepper.h микроконтроллер IDE библиотека каталог.
2. Скачайте код контроллера, под названием «Dual_Pump_PID_Control.ino» из Дополнительных файлов. Этот код используется для управления системой обратной связи контролируемых шприц насос с двумя насосами.
3. Программа код контроллера, так что он подходит проводимого эксперимента. Измените параметры управления или параметры сроков с учетом желаемого отклика и продолжительность эксперимента. Скомпилируйте и загружать код микроконтроллера перед запуском эксперимент.
   Примечание: В коде контроллера, setPoint1/2 значения используются для изменения уровня давления и stepper1/2Out значения используются для регулировки скорости насоса. Последние два значения в столбце stepper1/2 AccelStepper соответствуют номер порта на микроконтроллер. Переменная milliTiming определяет частоту считывания аналогового сигнала от датчиков давления и переменная printTiming определяет частоту вывода значений скорости и давления для последовательного мониторинга для проверки. Все подразделения находятся в г-жа maxError переменная определяется от уровня логики Совет микроконтроллера. Значение 5 используется здесь как микроконтроллера в этот протокол является 5 V.
4. Включите источник питания для системы насосы шприца. Установите напряжение 10 V для шаговых двигателя блок питания.

7. Настройка параметров регулятор PID

Примечание: Значения параметров идеальный контроллер может варьироваться в зависимости от приложения и геометрии microfluidic устройства. Например для долгосрочных исследований (в часах), Нижняя пропорциональной константа (КП) может быть предпочтительнее свести к минимуму выброс за счет время отклика. Эти компромиссы зависит от экспериментальных условий и целей.

1. Настройка контроллера, используя ручной подход, регулируя пропорциональной константа (КП), чтобы улучшить время отклика функции шаг первый.
   Примечание: Хотя алгоритмических подходов может быть используется, ручной настройки работы для приложений microfluidic показано в настоящем документе.
2. Далее измените интеграл (Ki) и дифференциального (Kd) параметры к минимуму выброс и обеспечить стабильность заданное значение.
3. Установите значения PID для КП, Ки и Kd переменных в коде контроллера Дополнительные файлы.

Результаты

Здесь мы представляем протокол для строительства обратной связи контролируемых шприц насос системы и продемонстрировать ее потенциальных применений microfluidic приложений. Рисунок 1 показывает подключенной системы шприцевый насос, датчик давления, microflui...

Обсуждение

Здесь мы представили новый дизайн для системы насоса шприца с регулированием давления замкнутого цикла. Это было достигнуто путем объединения 3D-печати шприцевый насос с датчиком давления Пьезорезистивный и микроконтроллер открытым исходным кодом. Используя контроллер PID, мы смогли т?...

Материалы

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