Name: three-dimensional printing of thermoplastic materials to create automated syringe pumps with feedback control for microfluidic applications
Uploaded: 2018-08-30T12:30:00
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著者は海軍研究のオフィスからサポート N00014-17-12306 と N00014-15-1-2502 賞し、同様、空軍科学研究局から賞 FA9550-13-1-0108 と国立科学財団助成金第 1709238 を認めます。

1. 3 D 印刷とシリンジ ポンプの組立
<ol><li>
準備し、3 D プリント、シリンジ ポンプ部品
	<ol>
<li>ダウンロードします。本稿の補足ファイルから STL デザイン ファイル。 注: は、六つがあります。STL ファイルで、タイトル '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' と ' JoVE_Syri...

<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>

ここでは、閉ループ圧力制御とシリンジ ポンプ システムの新しい設計を提案します。これは、3 D プリントされたシリンジ ポンプ ピエゾ抵抗圧センサーとオープン ソースのマイクロ コント ローラーに統合することによって達成されました。PID コント ローラーを採用し、正確にインレット圧を制御し、同時にセット ポイントとその安定性を維持しながら高速応答時間を提供することがで?...

マイクロ ツールは、生物化学研究の科学者のために有用ななっています。マイクロ流体による低ボリュームの使用率、迅速測定機能、および明確に定義された流れプロファイル、ゲノムでトラクションを得て、プロテオーム研究、高スループット スクリーニング、診断、ナノテクノロジー、および単一セル分析1,2,3,4。また、マイクロ流体デバイス設計の柔軟性は、培養細菌コロニー5の時空間ダイナミクスの調査など、基礎科学研究を容易にできます。
各種流体の注入システムは、マイクロ流体デバイスへの流量を正確に実現する開発されています。このような注入システムなどは蠕動と再循環ポンプ6、圧力コント ローラー システム7、およびシリンジ ポンプ8。これら噴射システム、シリンジ ポンプ、しばしば高価な精密加工部品で構成されます。圧出力フローの閉ループ フィードバック制御とこれらのシステムの増強をこれらのシステムのコストを追加します。応答では、我々 は以前出力流量圧力を調節する閉ループ フィードバック コントロールを使用して、堅牢で低コストのシリンジ ポンプ システムを開発しました。閉ループ圧力制御を使用して、高価な精密エンジニア リング コンポーネントの必要性は改廃9です。
手頃な価格の 3 D 印刷ハードウェアと関連付けられているオープン ソース ・ ソフトウェアの重要な成長の組み合わせはアクセシブル デザインとマイクロ流体デバイスの作製ますます研究者にさまざまな分野10から。ただし、これらのデバイスを介してドライブの流体に使用するシステムは高価なままです。この低コストで流体制御システムの必要性に対処する手順アセンブリの数が少ないを必要とする、実験室の研究者によって作製することができますデザインを開発しました。にもかかわらず、低コストで簡単なアセンブリこのシステムは正確な流量制御を提供することができ、市販、クローズド ループのシリンジ ポンプ システムは、非常に高価にすることができますに代わる。
ここで、建設と閉ループ制御の使用のためのプロトコルを提供シリンジ ポンプ システム (図 1) を開発しました。システムの処理液は、ピエゾ抵抗型圧力センサー、マイクロ コント ローラー、以前研究11に触発された物理的なシリンジ ポンプで構成されます。比例・積分・微分 (PID) コント ローラーでプログラムを構成したら、システムは、マイクロ流体デバイスに規則正しい、圧力駆動型のフローを提供することが可能です。これは自分の仕事でマイクロを使用する研究者のより広範なグループを有効にするコストの高い商用製品に低コストで柔軟な代替を提供します。

<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

マイクロ生物・化学・物理学の研究で重要なツールとなっています。マイクロ流体実験の 1 つの重要なコンポーネントは、安定した流体入口流量や入口圧力を正確に提供することができるシステムです。ここでは、制御できるシリンジ ポンプ システムを開発した、マイクロ流体デバイスに配信入口流体圧力を調節します。このシステムは、低コストの材料と添加剤の製造原理、熱可塑性材料と可能な限り既製のコンポーネントの 3次元 (3 D) 印刷を活用を使用して設計されました。このシステムは 3 つの主要なコンポーネントで構成される: シリンジ ポンプ、圧力トランスデューサーとプログラム可能なマイクロ コント ローラー。このペーパー内の一連の製造、組立、およびこのシリンジ ポンプ システムをプログラミング プロトコルを詳しく説明します。さらに、我々 は、高忠実度、このシステムを用いて入口圧力のフィードバック制御を示す代表的な結果を含まれています。我々 は、マイクロ流体の使用のための参入障壁を下げるこのプロトコルは低コスト シリンジ ポンプ システムを作製する研究者を許可する期待の医学、化学、材料学。

ここでは、フィードバック制御の注射器の構築システムをポンプし、マイクロ流体アプリケーションの潜在的な用途を示すプロトコルを提案します。図 1は、シリンジ ポンプ、圧力センサー、マイクロ流体デバイス、マイクロ コント ローラー、圧力センサー回路とステッピング モーター ドライバーの接続システムを示しています。<strong class="...

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

マイクロ アプリケーションで使用される圧力制御シリンジ ポンプを構築するためのプロトコルをご紹介します。このシリンジ ポンプは、相加的製造ボディ、市販ハードウェアとオープン ソースの電子機器から作られます。結果システムは低コストで簡単に構築、できると規則正しい流体急速なマイクロ流体研究を有効にするを提供します。

印刷作成する熱可塑性材料の三次元マイクロ流体用フィードバック制御を用いたシリンジ ポンプを自動

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