Bioprinter de baixo custo: 13 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Somos uma equipe de pesquisa liderada por graduação na UC Davis. Fazemos parte do Grupo BioInnovation, que opera no Laboratório TEAM de Prototipagem Molecular e BioInnovation (Conselheiros Dr. Marc Facciotti e Andrew Yao, M. S.). O laboratório reúne alunos de diversas origens para trabalhar neste projeto (engenharia mecânica / química / biomédica).

Um pouco do histórico deste projeto é que começamos a imprimir células transgênicas de arroz em colaboração com a Dra. Karen McDonald, do departamento de Química, com o objetivo de desenvolver uma bioimpressora de baixo custo para tornar a bioimpressão mais acessível às instituições de pesquisa. Atualmente, as bioprinters de baixo custo custam aproximadamente $ 10.000, enquanto as bioprinters de ponta custam aproximadamente $ 170, 000. Em contraste, nossa impressora pode ser construída por aproximadamente $ 375.

Suprimentos

Partes:

1. Rampas 1.4:
2. Arduino mega 2560: https://www.amazon.com/Elegoo-EL-CB-003-ATmega2560 …
3. Drivers de motor de passo:
4. Motor de passo adicional (opcional)
5. Viga do fabricante 2 em X 1 pol.
6. Hardware de fixação da viga do fabricante
7. Parafusos M3 de tamanhos variados
8. M3 nuts x2
9. Haste roscada de 8 mm
10. Porca de 8 mm
11. Rolamento 608
12. Clipe de pasta
13. Filamento
14. Monoprice V2
15. Gravatas zip
16. Porcas de ajuste térmico M3 com 2 mm de largura

Ferramentas:

1. Brocas de vários tamanhos
2. Furadeira
3. Furadeira
4. Serrote
5. Ferro de soldar + solda
6. Descascador de fios
7. Alicate de ponta fina
8. Chaves hexagonais de vários tamanhos

Material de laboratório:

1. Placas de Petri com ~ 70 mm de diâmetro
2. Seringa de 60 ml com ponta Luer-lock
3. Seringa de 10 ml com ponta Luer-lock
4. Acessórios Luer-lock
5. Tubulação para conexões
6. Conector T para tubulação
7. Centrífuga
8. Tubos de centrífuga 60ml
9. Escala
10. Pesar
11. Autoclave
12. Béqueres
13. Cilindro graduado
14. Solução CaCl2 0,1 M
15. Agarose
16. Alginato
17. Metilcelulose
18. Sacarose

Programas:

1. Fusion 360 ou Solidworks
2. IDE Arduino
3. Anfitrião Repetidor
4. Ultimaker Cura 4

Etapa 1: Seleção de uma impressora 3D

Escolhemos a Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 como a impressora 3D inicial. Esta impressora foi selecionada devido ao seu baixo custo e alta disponibilidade. Além disso, um modelo 3D de alta precisão da impressora já estava disponível, o que tornou o design mais fácil. Este instrutível será adaptado para esta impressora específica, mas um processo semelhante pode ser usado para converter outras impressoras FDM comuns e máquinas CNC.

Modelo de alta precisão:

Etapa 2: Impressão 3D

Antes da desmontagem da impressora Monoprice, várias peças precisam ser impressas em 3D para a modificação da impressora 3D. Existem versões de extrusoras de pasta, uma que requer epóxi e outra que não. Aquele que requer epóxi é mais compacto, porém mais difícil de montar.

Etapa 3: preparar a impressora para modificação

O painel frontal da torre, a tampa inferior e o painel de controle devem ser removidos. Depois de remover a parte inferior, desconecte todos os componentes eletrônicos da placa de controle e remova a placa de controle.

Etapa 4: montagem intercambiável

O corpo 1 e o corpo 14 requerem, cada um, duas porcas ajustadas por calor. O corpo 1 é montado na estrutura da impressora pelos dois parafusos M3 escondidos sob a correia. Os parafusos podem ser revelados removendo o tensor da correia e puxando a correia para um lado.

Etapa 5: Chave do eixo Z

A chave do eixo Z é reposicionada de forma que qualquer agulha de comprimento possa ser usada durante a sequência de retorno sem compensação no software. O switch deve ser montado com 2 parafusos M3 no chassi da impressora, diretamente sob o cabeçote de impressão, o mais próximo possível da plataforma de impressão.

Etapa 6: Fiação

A fiação é feita de acordo com as normas Ramps 1.4. Basta seguir o diagrama de fiação. Corte e estanhe os fios conforme necessário para os blocos de terminais. Alguns fios podem precisar ser estendidos.

Etapa 7: Extrusora de epóxi

Embora esta extrusora leve menos tempo para imprimir, ela usa epóxi, o que aumenta o tempo total de construção para mais de 24 horas. A haste roscada de 8 mm deve ser epóxida para o rolamento 608 e o rolamento deve ser epóxi para a peça impressa em 3D Corpo 21. Além disso, a porca para a haste roscada deve ser epóxida para o Corpo 40. Uma vez que o epóxi tenha sido totalmente curado, a borracha As pontas dos êmbolos da seringa de 60ml e 10ml podem ser colocadas sobre o Corpo 9 e Corpo 21, respectivamente. Não foi possível encontrar um encaixe em T apropriado, então um bruto foi feito de tubo de latão de 6 mm e solda. A extrusora atua como um sistema hidráulico que empurra o Bioink para fora da câmara inferior da seringa de 10 ml. O ar pode ser evacuado para fora do sistema agitando vigorosamente os tubos enquanto segura a conexão T no ponto mais alto.

Etapa 8: Extrusora de pasta regular

Esta extrusora pode ser simplesmente aparafusada. A desvantagem dessa extrusora é que ela é mais volumosa e tem uma grande folga.

Etapa 9: Etapa 9: Firmware Arduino

O Arduino precisa de firmware para executar os drivers de passo e outros componentes eletrônicos. Escolhemos o Marlin por ser gratuito, facilmente modificado com o Arduino IDE e bem suportado. Modificamos o firmware para nosso hardware específico, mas é bastante simples de modificar para outras impressoras porque todo o código é comentado e explicado claramente. Clique duas vezes no arquivo MonopriceV2BioprinterFirmware.ino para abrir os arquivos de configuração do marlin.

Etapa 10: Perfil Cura

O perfil Cura pode ser importado para o Ultimaker Cura 4.0.0 e usado para fazer malhas de alta área de superfície para uso em um reator de profusão. A geração do Gcode para a impressora ainda é altamente experimental e requer muita paciência. Também está anexado um gcode de teste para um reator de profusão circular.

Etapa 11: Alterar o código G inicial

Cole este código na configuração inicial do código G:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

No Repetier, para modificar o código G de início, vá para divisor-> Configuração-> códigos G-> códigos G de início. É necessário modificar o valor Z de G92 para cada caso particular. Aumente lentamente o valor até que a agulha esteja na distância desejada da superfície da placa de Petri no início da impressão.

Etapa 12: Fazendo o Bioink

O processo de desenvolvimento de um Bioink adequado para uma aplicação é complexo. Este é o processo que seguimos:

Resumo

O hidrogel é adequado para células vegetais sensíveis ao cisalhamento e tem macroporos abertos para permitir a difusão. O hidrogel é feito dissolvendo agarose, alginato, metilcelulose e sacarose em água desionizada e adicionando células. O gel é viscoso até ser curado com cloreto de cálcio 0,1 M, o que o torna resistente. A solução de cura de cloreto de cálcio faz a ligação cruzada com o alginato para torná-lo resistente. O alginato é a base do gel, a metilcelulose homogeneíza o gel e a agarose fornece mais estrutura por gelificar em temperatura ambiente. A sacarose fornece alimento para as células continuarem a crescer no hidrogel.

Uma breve visão geral de alguns dos experimentos para verificar o gel

Testamos diferentes hidrogéis com diferentes quantidades de agarose e registramos sua consistência, a facilidade de impressão e se afundou ou flutuou na solução de cura. A diminuição da porcentagem de alginato tornou o gel muito líquido e não foi capaz de manter sua forma após a impressão. O aumento da porcentagem de alginato fez com que a solução de cura funcionasse tão rapidamente que o gel curaria antes de aderir à camada superior. Um hidrogel que mantém sua forma e não cura muito rapidamente foi desenvolvido usando 2,8% em peso de alginato.

Como desenvolver um hidrogel

Materiais

Agarose (0,9% em peso)

Alginato (2,8% em peso)

Metilcelulose (3,0% em peso)

Sacarose (3,0% em peso)

Cloreto de cálcio.1M (147,001 g / mol)

ddH20

agregados de células

2 copos lavados e secos

1 Espátula de Mistura

Folha de Alumínio

Papel De Plástico Pesado

Cilindro graduado

Procedimento

Fazendo o hidrogel:

1. Meça uma quantidade específica de DDH20 com base na quantidade de solução de gel que você deseja preparar. Use o cilindro graduado para obter um volume específico de DDH20.
2. A solução de hidrogel conterá alginato (2,8% em peso), agarose (0,9% em peso), sacarose (3% em peso) e metilcelulose (3% em peso). Porções adequadas dos componentes da solução de hidrogel serão medidas usando o papel de pesagem de plástico.
3. Quando terminar de pesar todos os componentes, adicione ddh20, sacarose, agarose e, por último, alginato de sódio a um dos copos secos. Agite para misturar, mas não use uma espátula para misturar, pois o pó grudará na espátula.
4. Depois de misturado, embrulhe a parte superior do copo com papel alumínio corretamente e etiquete o copo. Adicione um pedaço de fita adesiva de autoclave ao topo do papel alumínio.
5. Coloque o restante da metilcelulose no outro copo seco e embrulhe-o em papel alumínio como o copo anterior. Etiquete este copo e coloque um pedaço de fita adesiva de autoclave no topo do papel alumínio.
6. Enrole 1 espátula em papel alumínio e certifique-se de que nada fica exposto. Adicione fita adesiva de autoclave à espátula embrulhada.
7. Autoclave os 2 copos e 1 espátula a 121 C por 20 minutos durante o ciclo de esterilização. NÃO USE A AUTOCLAVE EM UM CICLO ESTÉRIL E SECO.
8. Concluído o ciclo da autoclave, deixe o gel esfriar até a temperatura ambiente e, uma vez atingido, comece a operar no Gabinete de Segurança Biológica.
9. Certifique-se de lavar as mãos e os braços e usar a técnica asséptica adequada ao operar na cabine de biossegurança. CERTIFIQUE-SE também de não entrar em contato direto com objetos que irão tocar o gel ou ficar perto do gel (ex: a extremidade de mistura da espátula ou a região das folhas de alumínio que fica sobre o gel)
10. Na cabine de biossegurança, misture a metilcelulose no gel para obter uma distribuição homogênea. Uma vez feita a mistura, embrulhe novamente a solução de gel misturada e coloque na geladeira durante a noite.
11. A partir daqui, o gel pode ser usado para a introdução das células ou para outros usos, como impressão.

Adicionando as células:

1. Filtre as células para que tenham o mesmo tamanho. Nosso procedimento de filtragem é

   Raspe levemente as células da placa de Petri e use uma peneira de 380 micrômetros para filtrar as células.

2. Misture suavemente as células filtradas na solução de hidrogel usando uma espátula de ponta chata para evitar a perda da mistura (que foi autoclavada).
3. Depois de misturar as células, centrifugue as bolhas
4. A partir daqui, o hidrogel está completo e pode ser usado para impressão, cura e experimentos futuros.

Como desenvolver a solução de cura (cloreto de cálcio 0,1 M, CaCl2)

Materiais

Cloreto de cálcio

ddH20

Sacarose (3% em peso)

Procedimento (para fazer solução de cura de 1L)

1. Medir 147,01g de cloreto de cálcio, 30mL de sacarose e 1L de ddH20.
2. Misture cloreto de cálcio, sacarose e ddH20 em um copo grande ou recipiente.
3. Mergulhe o gel na solução de cura por pelo menos 10 minutos para curar.

Etapa 13: Imprimir

Em teoria, a Biimpressão é extremamente simples; entretanto, na prática, existem muitos fatores que podem causar falhas. Com este gel, descobrimos que várias coisas podem ser feitas para maximizar o sucesso de nossa aplicação:

1. Use pequenas quantidades de solução de CaCl2 para curar parcialmente o gel durante a impressão,
2. Use uma toalha de papel na parte inferior da placa de Petri para aumentar a adesão
3. Use uma toalha de papel para espalhar uniformemente pequenas quantidades de CaCl2 em toda a impressão
4. use o controle deslizante de taxa de fluxo no Repetier para encontrar a taxa de fluxo correta

Para diferentes aplicações e diferentes géis, diferentes técnicas podem precisar ser usadas. Nosso procedimento foi gerado ao longo de vários meses. Paciência é a chave.

Boa sorte se você tentar este projeto e fique à vontade para fazer qualquer pergunta.

Primeiro prêmio no Arduino Contest 2019