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

Los autores reconocen el apoyo de la oficina de investigación Naval de premios N00014-17-12306 y N00014-15-1-2502, así como de la oficina de investigación científica de la fuerza aérea Premio FA9550-13-1-0108 y la ciencia nacional Fundación Grant no. 1709238.

1. 3D-impresión y montaje de la bomba de jeringa
<ol><li>
Preparar e impresión 3D componentes de la bomba de la jeringa
	<ol>
<li>Descargar el. Archivos STL con el diseño de los Archivos adicionales de este documento. Nota: Hay seis. Archivos STL, titulados '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', y ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.STL', en l...

<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>

Aquí, presentamos un nuevo diseño para un sistema de bomba de jeringa con control de presión de circuito cerrado. Esto se logró mediante la integración de una bomba de jeringa impresa en 3D con un sensor de presión piezorresistivo y un microcontrolador open source. Mediante el empleo de un controlador PID, pudimos para precisamente controlar la presión de entrada y proporcionar rápidos tiempos de respuesta manteniendo al mismo tiempo la estabilidad de un punto de ajuste.
Muchos experim...

Herramientas de microfluidos se han convertido en útiles para los científicos en la investigación biológica y química. Debido a la utilización de bajo volumen, medición rápida y perfiles de flujo bien definidas, microfluídica ha ganado tracción en genómica y proteómica investigación, proyección de alto rendimiento, diagnóstico médico, la nanotecnología y unicelular Análisis1,2,3,4. Además, la flexibilidad de diseño del dispositivo de microfluidos fácilmente permite la investigación en ciencias básicas, como la investigación de la dinámica espaciotemporal de colonias bacterianas cultivadas5.
Han desarrollado muchos tipos de sistemas de inyección de fluido para proporcionar con precisión el flujo de dispositivos microfluídicos. Ejemplos de dichos sistemas de inyección son peristálticas y bombas de recirculación6, controlador de presión de sistemas7y bombas de jeringa8. Estos sistemas de inyección, incluyendo bombas de jeringa, a menudo están compuestos de componentes de ingeniería de precisión costosa. Aumento de estos sistemas con control de retroalimentación de lazo cerrado de la presión en el flujo de salida se suma al costo de estos sistemas. En respuesta, previamente hemos desarrollado un sistema de bomba de jeringa robusto y de bajo costo que utiliza retroalimentación de lazo cerrado de control para regular la presión de flujo outputted. Mediante el uso de control de presión de circuito cerrado, la necesidad de costosos componentes de ingeniería de precisión es derogadas9.
La combinación de hardware de 3D-impresión asequible y un significativo crecimiento en asociados-software de código abierto ha hecho el diseño y la fabricación de dispositivos microfluídicos cada vez más accesible a los investigadores de una variedad de disciplinas10. Sin embargo, los sistemas de fluido de transmisión a través de estos dispositivos siguen siendo caros. Para hacer frente a esta necesidad de un sistema de control de fluidos de bajo costo, se desarrolló un diseño que puede ser fabricado por los investigadores en el laboratorio, que requieren sólo un pequeño número de fases de montaje. A pesar de su montaje sencillo y de bajo costo, este sistema puede proporcionar control de flujo exacto y proporciona una alternativa a los sistemas de bomba de jeringuilla disponible en el mercado, circuito cerrado, que puede ser prohibitivo.
Aquí, ofrecemos protocolos para la construcción y uso del lazo cerrado controlado hemos desarrollado (figura 1) del sistema de la bomba de la jeringuilla. El fluido manejo del sistema se compone de una bomba de jeringa físico inspirada por un anterior estudio11, un microcontrolador y un sensor de presión piezorresistivo. Cuando montado y programado con un controlador proporcional-integral-derivado de (PID), el sistema es capaz de suministrar un flujo bien regulado, impulsado por la presión de dispositivos microfluídicos. Esto ofrece una alternativa flexible y de bajo costo para productos comerciales de alto costo, lo que permite a un más amplio grupo de investigadores a utilizar la microfluídica en su trabajo.

<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 se ha convertido en una herramienta crítica en la investigación a través de la biológica, química y ciencias físicas. Un componente importante de experimentación de microfluidos es un líquido estable sistema capaz de proporcionar con exactitud una entrada de caudal o presión de entrada. Aquí, hemos desarrollado un sistema de bomba de jeringa capaz de controlar y regular la presión del fluido de entrada entregada a un dispositivo de microfluidos. Este sistema fue diseñado usando materiales de bajo costo y los principios de la fabricación aditiva, aprovechar la impresión tridimensional (3D) de materiales termoplásticos y componentes estándares siempre que sea posible. Este sistema se compone de tres componentes principales: un microcontrolador programable, una bomba de la jeringuilla y un transductor de presión. Dentro de este documento, se detalla un conjunto de protocolos para la fabricación, montaje y programación de este sistema de bomba de jeringa. Además, hemos incluido resultados representativos que demuestran alta fidelidad, control de retroalimentación de presión de entrada utilizando este sistema. Esperamos que este protocolo permitirá a los investigadores a fabricar sistemas de bomba de jeringa de bajo costo, bajar la barrera de entrada para el uso de la microfluídica en biomédica, química y la investigación de materiales.

Aquí, presentamos un protocolo para la construcción de una jeringa de control de retroalimentación sistema de bomba y demostrar su uso potencial para aplicaciones de microfluídica. La figura 1 muestra el sistema conectado de la bomba de la jeringuilla, sensor de presión, dispositivo de microfluidos, microcontrolador, circuito del sensor de presión y controlador de motor paso a paso. Llamadas detalladas para el montaje de la bomba de jeringa se muestran ...

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

Aquí presentamos un protocolo para construir una bomba de jeringa de presión controlada para ser utilizado en aplicaciones de microfluídica. Esta bomba de la jeringuilla se hace de un cuerpo aditiva fabricado estándar hardware y electrónica de código abierto. El sistema resultante es bajo costo, fácil de construir y suministra fluido bien regulado para permitir investigación de microfluidos rápido.

Tridimensional de la impresión de materiales termoplásticos para crear automatizado de bombas de la jeringuilla con retroalimentación de Control para aplicaciones de microfluídica

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