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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Os autores reconhecem o apoio do escritório de pesquisa Naval N00014-17-12306 e N00014-15-1-2502, assim como do escritório de pesquisa científica da força aérea prêmio FA9550-13-1-0108 e a nacional Science Foundation Grant no. 1709238.

1. 3D-impressão e montagem de bomba de seringa
<ol><li>
Preparar e 3D-imprimir a seringa da bomba componentes
	<ol>
<li>Baixar o. Arquivos de projeto STL dos Arquivos complementares deste papel. Nota: Há seis anos. Arquivos STL, intitulados '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', e ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.STL', nos arquivos s...

<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>

Aqui, apresentamos um novo design para um sistema de bomba de seringa com controle de pressão do circuito fechado. Isso foi realizado através da integração de uma bomba de seringa 3D-impresso com um sensor de pressão piezoresistivos e um microcontrolador de código-fonte aberto. Utilizando um controlador PID, conseguimos precisamente controlar a pressão de entrada e fornecer tempos de resposta rápidos, mantendo simultaneamente a estabilidade sobre um ponto de ajuste.
Muitos experimentos...

Microfluidic ferramentas tornaram-se úteis para os cientistas em pesquisas biológicas e químicas. Devido a utilização de baixo volume, capacidades de medição rápida e perfis de fluxo bem definido, microfluídica ganhou tração em genomic e proteomic pesquisa, seleção da elevado-produção, diagnóstico médico, nanotecnologia e unicelulares análise1,2,3,4. Além disso, a flexibilidade do projeto de dispositivo microfluidic prontamente permite pesquisa de ciência básica, como investigar a spatiotemporal dinâmica do culto de colônias bacterianas5.
Muitos tipos de sistemas de injeção de fluido foram desenvolvidos para fornecer com precisão o fluxo para dispositivos microfluídicos. Peristáltica exemplos de tais sistemas de injeção e bombas de recirculação6, sistemas de controle de pressão7e bombas de seringa8. Estes sistemas de injeção, incluindo bombas de seringa, muitas vezes são compostos de componentes de precisão caro de engenharia. Aumentar esses sistemas com controle de gabarito de loop fechado de pressão no fluxo de saída aumenta o custo destes sistemas. Em resposta, anteriormente desenvolvemos um sistema de bomba de seringa robusto e de baixo custo que usa o controle de gabarito de loop fechado para regular a pressão de fluxo outputted. Usando o controle de pressão do circuito fechado, a necessidade de componentes de engenharia de precisão caros é revogada9.
A combinação de hardware de impressão 3D acessível e um crescimento significativo no software de código-fonte aberto associado fez o projeto e fabricação de dispositivos microfluídicos cada vez mais acessível aos investigadores de uma variedade de disciplinas10. No entanto, os sistemas utilizados para fluido de movimentação através destes dispositivos continuam caros. Para atender a esta necessidade de um sistema de controle de fluido de baixo custo, desenvolvemos um projeto que pode ser fabricado por pesquisadores no laboratório, exigindo apenas um pequeno número de etapas de montagem. Apesar de seu baixo custo e simples assembly, este sistema pode fornecer o controle preciso de fluxo e fornece uma alternativa aos sistemas de bomba de seringa comercialmente disponíveis, de loop fechado, que pode ser proibitivamente caro.
Aqui, nós fornecemos os protocolos para a construção e uso do fechado-loop controlado desenvolvemos (Figura 1) do sistema de bomba de seringa. O sistema de tratamento de fluido é composto por uma bomba de seringa físico inspirada por um anterior estudo11, um microcontrolador e um sensor de pressão piezoresistivo. Quando montado e programado com um controlador de (PID) proporcional-integral-Derivativo, o sistema é capaz de fornecer um fluxo bem regulado, controlado por pressão para dispositivos microfluídicos. Isto fornece uma alternativa de baixo custo e flexível para produtos comerciais de alto custo, permitindo que um grupo mais amplo de pesquisadores usar microfluídica em seu trabalho.

<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

Microfluídica tornou-se uma ferramenta fundamental na pesquisa através da biológica, química e ciências físicas. Um importante componente de experimentação microfluídicos é um fluido estável sistema capaz de fornecer com precisão uma taxa de fluxo de entrada ou a pressão de entrada de manipulação. Aqui, nós desenvolvemos um sistema de bomba de seringa, capaz de controlar e regular a pressão do fluido de entrada entregues a um dispositivo microfluidic. Este sistema foi projetado usando materiais de baixo custo e princípios de fabricação aditiva, alavancando tridimensional (3D) impressão de materiais termoplásticos e componentes prontos para uso sempre que possível. Este sistema é composto de três componentes principais: uma bomba de seringa, um transdutor de pressão e um microcontrolador programável. Dentro deste papel, detalhamos um conjunto de protocolos para fabricação, montagem e programação deste sistema de bomba de seringa. Além disso, incluímos resultados representativos que demonstram alta-fidelidade, controle de gabarito da pressão de entrada usando este sistema. Esperamos que este protocolo permitirá que pesquisadores fabricar sistemas de bomba de seringa de baixo custo, reduzindo a barreira de entrada para o uso de microfluídica em biomédicas, químicas e pesquisa de materiais.

Aqui, apresentamos um protocolo para a construção de uma seringa de gabarito-controlado sistema de bomba e demonstrar seus usos potenciais para aplicações microfluidic. A Figura 1 mostra o sistema conectado da bomba de seringa, sensor de pressão, dispositivo microfluidic, microcontrolador, circuito do sensor de pressão e excitador do motor deslizante. Textos explicativos detalhados para o conjunto de bomba de seringa são mostrados na <strong class="xfi...

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

Aqui nós apresentamos um protocolo para construir uma bomba de seringa pressão controlada para ser usado em aplicações de microfluidic. Esta bomba de seringa é feita de um corpo aditivamente manufacturado, prateleira hardware e eletrônica de código-fonte aberto. O sistema resultante é simples de construir, de baixo custo e proporciona o fluxo de fluido bem regulado para habilitar a pesquisa rápida microfluidic.

Tridimensional de impressão de materiais termoplásticos para criar automatizado bombas de seringa com controle de gabarito para aplicações microfluídicos

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