Name: three-dimensional printing of thermoplastic materials to create automated syringe pumps with feedback control for microfluidic applications
Uploaded: 2018-08-30T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications at JoVE.com

Les auteurs reconnaissent le soutien de l’Office of Naval Research awards 12306-17-N00014 et N00014-15-1-2502, ainsi que de l’Air Force Office of Scientific Research award FA9550-13-1-0108 et la National Science Foundation Grant no 1709238.

1. 3D-impression et montage de pompe à seringue
<ol><li>
Préparer et impression 3D la seringue pompe composants
	<ol>
<li>Télécharger le. Fichiers STL conception des Fichiers supplémentaires du présent document. Remarque : Il y a six. Les fichiers STL, intitulés « 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 », et ' Jo...

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

Ici, nous avons présenté un nouveau design pour un système de pompe seringue avec controle de pression de la boucle fermée. Cela a été accompli en intégrant une pompe à seringue imprimés 3D avec un capteur de pression piézorésistif et un microcontrôleur open source. En utilisant un régulateur PID, nous avons pu précisément contrôler la pression d’admission et fournir des temps de réponse rapides tout en maintenant simultanément la stabilité sur un point de consigne.
De nom...

Outils de microfluidique sont devenus utiles pour les scientifiques dans la recherche biologique et chimique. En raison de l’utilisation de faible volume, les capacités de mesure rapide et profils d’écoulement bien définis, la microfluidique a gagné traction en génomique et protéomique recherche, criblage à haut débit, diagnostic médical, nanotechnologie et unicellulaires analyse1,2,3,4. En outre, la flexibilité de la conception du dispositif microfluidique permet aisément des recherches scientifiques fondamentales, telles que l’enquête sur la dynamique spatio-temporelle des colonies bactériennes cultivées5.
Plusieurs types de systèmes d’injection de fluide ont été développés pour soutenir avec précision la circulation Dispositifs microfluidiques. Exemples de tels systèmes d’injection péristaltique et pompes de recirculation6, contrôleur de pression systèmes7et seringue pompes8. Ces systèmes d’injection, y compris les pompes à seringue, sont souvent constituées de composants coûteux précision machinée. Augmenter ces systèmes avec asservissement en boucle fermée de la pression dans le flux de sortie augmente le coût de ces systèmes. En réponse, nous avons précédemment développé un système de pompe seringue robuste et peu coûteux qui utilise l’asservissement à boucle fermée pour réguler la pression en sortie. En utilisant le contrôle de la pression du circuit fermé, le besoin de composants de haute précision chers est abrogée9.
La combinaison de matériel d’impression 3D abordable et une croissance importante dans les logiciels open source associés réalise la conception et la fabrication des dispositifs microfluidiques plus accessibles aux chercheurs de diverses disciplines,10. Cependant, les systèmes utilisés pour fluide en voiture par le biais de ces dispositifs restent chers. Pour répondre à cette nécessité d’un système de contrôle des fluides peu coûteux, nous avons développé un design qui peut être fabriqué par des chercheurs dans le laboratoire, qui exige seulement un petit nombre d’étapes de l’assemblage. Malgré son assemblage simple et peu coûteux, ce système peut fournir le contrôle de flux précis et offre une alternative aux systèmes de pompe seringue disponible dans le commerce, circuit fermé, qui peut être prohibitif.
Ici, nous fournissons des protocoles pour la construction et l’utilisation de la boucle fermée contrôlée seringue système de pompe, nous avons développé (Figure 1). Le liquide de système de gestion se compose d’une pompe à seringue physique inspirée par une précédente étude11, un microcontrôleur et un capteur de pression piézorésistif. Lors de l’assemblé et programmé avec un contrôleur de proportionnel-intégral-dérivé (PID), le système est capable de délivrer un débit bien réglementé et par la pression de dispositifs microfluidiques. Ceci fournit une alternative souple et peu coûteuse au coût élevé des produits commerciaux, permettant à un plus large groupe de chercheurs d’utiliser microfluidics dans leur travail.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1268">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:289px;">Arduino IDE</td>
			<td style="width:245px;">Arduino.org</td>
			<td style="width:169px;"></td>
			<td style="width:565px;">Arduino Uno R3 control software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Header Connector, 2 Positions</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>WM4000-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Header Connector, 3 Positions</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>WM4001-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Header Connector, 4 Positions</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>WM4002-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hook-up Wire, 22 Gauge, Black</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>1528-1752-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hook-up Wire, 22 Gauge, Blue</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>1528-1757-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hook-up Wire, 22 Gauge, Red</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>1528-1750-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hook-up Wire, 22 Gauge, White</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>1528-1768-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hook-up Wire, 22 Gauge, Yellow</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>1528-1751-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Instrumentation Amplifier</td>
			<td>Texas Instruments</td>
			<td>INA122P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Microcontroller, Arduino Uno R3</td>
			<td>Arduino.org</td>
			<td>A000066</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Mini Breadboard</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B01IMS0II0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Power Supply</td>
			<td>BK Precision</td>
			<td>1550</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Pressure Sensor</td>
			<td>PendoTech</td>
			<td>PRESS-S-000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Rectangular Connectors, Housings</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>WM2802-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Rectangular Connectors, Male</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>WM2565CT-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Resistors, 10k Ohm&#160;</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>1135-1174-1-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Resistors, 330 Ohm&#160;</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>330ADCT-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Stepper Motor Driver, EasyDriver</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>1568-1108-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">USB 2.0 Cable, A-Male to B-Male</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>PC045</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">3D Printed Material, Z-ABS&#160;</td>
			<td>Zortrax</td>
			<td></td>
			<td>A variety of colors are available</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">3D Printer</td>
			<td>Zortrax</td>
			<td>M200</td>
			<td>Printing out the syringe pump components</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Ball Bearing, 17x6x6mm</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B008X18NWK</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hex Machine Screws, M3x16mm&#160;</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B00W97MTII</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hex Machine Screws, M3x35mm&#160;</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B00W97N2UW</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hex Nut, M3 0.5&#160;</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B012U6PKMO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hex Nut, M5&#160;</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B012T3C8YQ</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Lathe Round Rod</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B00AUB73HW</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Linear Ball Bearing</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B01IDKG1WO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Linear Flexible Coupler</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B010MZ8SQU</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Steel Lock Nut, M3 0.5</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B000NBKLOQ</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Stepper Motor, NEMA-17, 1.8o/step</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>1568-1105-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Syringe, 10mL, Luer-Lok Tip</td>
			<td>BD</td>
			<td>309604</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Threaded Rod</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B01MA5XREY</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane</td>
			<td>FisherScientific</td>
			<td>AAL1660609</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Camera Module</td>
			<td>Raspberry Pi Foundation</td>
			<td>V2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Compact Oven</td>
			<td>FisherScientific</td>
			<td>PR305220G</td>
			<td>Baking PDMS pre-polymer mixture and the device</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Dispensing Needle, 22 Gauge</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>75165A682</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Dispensing Needle, 23 Gauge</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>75165A684</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Fisherbrand Premium Cover Glasses</td>
			<td>FisherScientific</td>
			<td>12-548-5C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Glass Culture Petri Dish, 130x25mm</td>
			<td>American Educational Products</td>
			<td>7-1500-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Plasma Cleaner</td>
			<td>Harrick Plasma</td>
			<td>PDC-32G</td>
			<td>Binding the cover glass with the PDMS device</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Razor Blades</td>
			<td>FisherScientific</td>
			<td>7071A141&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Scotch Magic Tape</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B00RB1YAL6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Single-board Computer</td>
			<td>Raspberry Pi Foundation</td>
			<td>Raspberry Pi 2 model B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Smart Spatula</td>
			<td>FisherScientific</td>
			<td>EW-06265-12</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit</td>
			<td>FisherScientific</td>
			<td>NC9644388</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Syringe Filters</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>7252520</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Tygon Tubing</td>
			<td>ColeParmer&#160;</td>
			<td>EW-06419-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Vacuum Desiccator</td>
			<td>FisherScientific</td>
			<td>08-594-15C</td>
			<td>Degasing PDMS pre-polymer mixture and coating fluorosilane on the master mold</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Weighing Dishes</td>
			<td>FisherScientific</td>
			<td>S67090A</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

three-dimensional printing of thermoplastic materials to create automated syringe pumps with feedback control for microfluidic applications

La microfluidique est devenu un outil essentiel dans la recherche biologique, chimique, et en sciences physiques. Un élément important de l’expérimentation de la microfluidique est un fluide stable système capable de fournir avec précision un débit d’aspiration ou la pression à l’entrée de manutention. Ici, nous avons développé un système de pompe seringue capable de contrôler et de réguler la pression d’admission du fluide livré à un dispositif microfluidique. Ce système a été conçu à l’aide de matériaux peu coûteux et les principes de fabrication additive, exploitant en trois dimensions (3D) impression de matériaux thermoplastiques et composants sur étagère, lorsque cela est possible. Ce système est composé de trois éléments principaux : un pousse-seringue, un capteur de pression et un microcontrôleur programmable. Dans cet article, nous détaillons un ensemble de protocoles de fabrication, montage et programmation de ce système de pompe à seringue. En outre, nous avons inclus les résultats représentatifs qui démontrent la haute-fidélité, régulation de pression d’admission à l’aide de ce système. Nous attendons ce protocole permettra aux chercheurs fabriquer des systèmes de pompe seringue de faible coût, en abaissant la barrière à l’entrée pour l’utilisation de la microfluidique en biomédical, chimique et la recherche sur les matériaux.

Nous présentons ici un protocole pour la construction d’une seringue de rétroaction contrôlée par système de pompe et de démontrer ses utilisations potentielles pour les applications de la microfluidique. La figure 1 illustre le système connecté des pousse-seringue, capteur de pression, dispositif microfluidique, microcontrôleur, circuit de capteur de pression et conducteur de moteur pas à pas. Des légendes détaillées pour l’ensemble de pompe...

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Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications

Nous présentons ici un protocole visant à construire une pompe à seringue sous pression contrôlée pour être utilisé dans les applications de la microfluidique. Ce pousse-seringue est issu d’un corps additivement manufacturés et matériel sur étagère électronique open source. Le système est peu coûteux et simples à générer et délivre le fluide bien réglementé pour activer la recherche rapide microfluidiques.

En trois dimensions d’impression de matériaux thermoplastiques pour créer automatisé pompes à seringue avec commande de rétroaction pour des Applications de microfluidique

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