Bioimpresora de bajo costo: 13 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Somos un equipo de investigación dirigido por estudiantes universitarios en UC Davis. Somos parte de BioInnovation Group, que opera en el TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab (Asesores Dr. Marc Facciotti y Andrew Yao, M. S.). El laboratorio reúne a estudiantes de diversos orígenes para trabajar en este proyecto (ingeniería mecánica / química / biomédica).

Un poco de antecedentes sobre este proyecto es que comenzamos a imprimir células de arroz transgénicas en colaboración con la Dra. Karen McDonald del departamento de ChemE con el objetivo de desarrollar una bioimpresora de bajo costo para hacer que la bioimpresión sea más accesible para las instituciones de investigación. Actualmente, las bioimpresoras de gama baja cuestan aproximadamente $ 10, 000 mientras que las bioimpresoras de gama alta cuestan aproximadamente $ 170, 000. En contraste, nuestra impresora se puede construir por aproximadamente $ 375.

Suministros

Partes:

1. Rampas 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Controladores de motor paso a paso:
4. Motor paso a paso adicional (opcional)
5. Haz Maker 2 en X 1 en
6. Hardware de fijación de la viga Maker
7. Tornillos M3 de varios tamaños
8. Tuercas M3 x2
9. Varilla roscada de 8 mm
10. Tuerca de 8 mm
11. 608 rodamiento
12. Clip de carpeta
13. Filamento
14. Monoprice V2
15. Corbatas con cremallera
16. Tuercas termofijadas M3 de 2 mm de ancho

Instrumentos:

1. Brocas de varios tamaños
2. Taladro de mano
3. Taladro de banco
4. Sierra
5. Soldador + soldadura
6. Pelacables
7. Pinzas de punta de aguja
8. Llaves hexagonales de varios tamaños

Suministros de laboratorio:

1. Placas de Petri de ~ 70 mm de diámetro
2. Jeringa de 60 ml con punta Luer-Lock
3. Jeringa de 10 ml con punta Luer-Lock
4. Accesorios Luer-Lock
5. Tubería para racores
6. Conector en T para tubo
7. Centrífugo
8. Tubos de centrífuga 60ml
9. Escala
10. Pesar barcos
11. Autoclave
12. Vasos de precipitados
13. Cilindro graduado
14. Solución de CaCl2 0,1 M
15. Agarosa
16. Alginato
17. Metilcelulosa
18. Sacarosa

Software:

1. Fusion 360 o Solidworks
2. IDE de Arduino
3. Anfitrión repetidor
4. Ultimaker Cura 4

Paso 1: seleccionar una impresora 3D

Elegimos la Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 como la impresora 3D de partida. Esta impresora fue seleccionada por su bajo costo y alta disponibilidad. Además, ya estaba disponible un modelo 3D de alta precisión de la impresora que facilitó el diseño. Este instructable se adaptará a esta impresora específica, pero se puede utilizar un proceso similar para convertir otras impresoras FDM y máquinas CNC comunes.

Modelo de alta precisión:

Paso 2: Impresión 3D

Antes del desmontaje de la impresora Monoprice, es necesario imprimir en 3D varias piezas para la modificación de la impresora 3D. Hay versiones de extrusoras de pasta, una que requiere epoxi y otra que no. El que requiere epoxi es más compacto pero más difícil de montar.

Paso 3: prepare la impresora para la modificación

Se deben quitar el panel de la torre frontal, la cubierta inferior y el panel de control. Una vez que se haya quitado la parte inferior, desconecte todos los componentes electrónicos del tablero de control y retire el tablero de control.

Paso 4: Montaje intercambiable

El cuerpo 1 y el cuerpo 14 requieren cada uno dos tuercas termofijadoras. El cuerpo 1 está montado en el marco de la impresora mediante los dos pernos M3 ocultos debajo del cinturón. Los pernos se pueden revelar quitando el tensor de la correa y tirando de la correa hacia un lado.

Paso 5: interruptor del eje Z

El interruptor del eje Z se reposiciona de modo que se pueda utilizar cualquier longitud de aguja durante la secuencia de inicio sin compensar en el software. El interruptor debe montarse con 2 tornillos M3 en el chasis de la impresora directamente debajo del cabezal de impresión lo más cerca posible de la cama de impresión.

Paso 6: cableado

El cableado se realiza de acuerdo con los estándares Ramps 1.4. Simplemente siga el diagrama de cableado. Corte y estañe los cables según sea necesario para los bloques de terminales. Es posible que sea necesario extender algunos cables.

Paso 7: extrusora de epoxi

Si bien esta extrusora toma menos tiempo para imprimir, usa epoxi que aumenta el tiempo total de construcción a más de 24 horas. La varilla roscada de 8 mm se debe aplicar epoxi al rodamiento 608 y el rodamiento se debe aplicar epoxi a la pieza impresa en 3D Cuerpo 21. Además, la tuerca de la varilla roscada se debe aplicar epoxi al cuerpo 40. Una vez que el epoxi se haya curado completamente, la goma Las puntas de los émbolos de las jeringas de 60 ml y 10 ml se pueden colocar sobre Body 9 y Body 21, respectivamente. No se pudo encontrar un conector en T apropiado, por lo que se hizo uno crudo con tubería de latón de 6 mm y soldadura. La extrusora actúa como un sistema hidráulico que empuja el Bioink fuera de la cámara inferior de la jeringa de 10 ml. Se puede evacuar el aire del sistema agitando vigorosamente los tubos mientras se sujeta el conector en T en el punto más alto.

Paso 8: extrusora de pasta regular

Esta extrusora simplemente se puede atornillar. La desventaja de esta extrusora es que es más voluminosa y tiene un alto juego.

Paso 9: Paso 9: Firmware de Arduino

El Arduino necesita firmware para ejecutar los controladores paso a paso y otros componentes electrónicos. Elegimos Marlin porque es gratuito, se modifica fácilmente con Arduino IDE y está bien soportado. Hemos modificado el firmware para nuestro hardware específico pero es bastante sencillo de modificar para otras impresoras porque todo el código está comentado y explicado claramente. Haga doble clic en el archivo MonopriceV2BioprinterFirmware.ino para abrir los archivos de configuración de marlin.

Paso 10: Perfil de cura

El perfil Cura se puede importar a Ultimaker Cura 4.0.0 y usarse para hacer mallas de gran superficie para su uso en un reactor de profusión. La generación de Gcode para la impresora es todavía muy experimental y requiere mucha paciencia. También se adjunta un gcode de prueba para un reactor de profusión circular.

Paso 11: Cambiar el código G de inicio

Pegue este código en la configuración de inicio del código G:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

En Repetier, para modificar start Gcode ir a slicer-> Configuración-> G-codes-> start G-codes. Es necesario modificar el valor de G92 Z para cada caso particular. Aumente lentamente el valor hasta que la aguja esté a la distancia deseada de la superficie de la placa de Petri al comienzo de la impresión.

Paso 12: Hacer el Bioink

El proceso para desarrollar un Bioink adecuado para una aplicación es complejo. Este es el proceso que seguimos:

Resumen

El hidrogel es adecuado para células vegetales sensibles al cizallamiento y tiene macroporos abiertos para permitir la difusión. El hidrogel se prepara disolviendo agarosa, alginato, metilcelulosa y sacarosa en agua desionizada y agregando células. El gel es viscoso hasta que se cura con cloruro de calcio 0,1 M, lo que lo hace resistente. La solución de curado de cloruro de calcio se reticula con el alginato para hacerlo resistente. El alginato es la base del gel, la metilcelulosa homogeneiza el gel y la agarosa aporta más estructura ya que gelifica a temperatura ambiente. La sacarosa proporciona alimento para que las células continúen creciendo en el hidrogel.

Una breve descripción de algunos de los experimentos para verificar el gel.

Probamos diferentes hidrogeles con diferentes cantidades de agarosa y registramos su consistencia, la facilidad con la que se imprimía y si se hundía o flotaba en la solución de curado. La disminución del porcentaje de alginato hizo que el gel fuera demasiado líquido y no pudiera mantener su forma después de la impresión. El aumento del porcentaje de alginato hizo que la solución de curado funcionara tan rápido que el gel se curaría antes de adherirse a la capa superior. Se desarrolló un hidrogel que mantiene su forma y no cura demasiado rápido utilizando alginato al 2,8% en peso.

Cómo desarrollar un hidrogel

Materiales

Agarosa (0,9% en peso)

Alginato (2,8% en peso)

Metilcelulosa (3,0% en peso)

Sacarosa (3,0% en peso)

Cloruro de calcio.1M (147.001 g / mol)

ddH20

agregados celulares

2 vasos de precipitados lavados y secos

1 espátula mezcladora

Papel de aluminio

Papel de peso de plástico

Cilindro graduado

Procedimiento

Haciendo el hidrogel:

1. Mida una cantidad específica de ddH20 según la cantidad de solución de gel que desee preparar. Utilice la probeta para obtener un volumen específico de ddH20.
2. La solución de hidrogel contendrá alginato (2,8% en peso), agarosa (0,9% en peso), sacarosa (3% en peso) y metilcelulosa (3% en peso). Las porciones adecuadas de los componentes de la solución de hidrogel se medirán utilizando el papel de pesaje de plástico.
3. Cuando termine de pesar todos los componentes, agregue ddh20, sacarosa, agarosa y, por último, alginato de sodio a uno de los vasos secos. Gire para mezclar, pero no use una espátula para mezclar porque el polvo se pegará a la espátula.
4. Una vez mezclado, envuelva la parte superior del vaso con papel de aluminio correctamente y etiquete el vaso. Agregue un trozo de cinta de autoclave a la parte superior del papel de aluminio.
5. Ponga la metilcelulosa restante en el otro vaso seco y envuélvalo en papel de aluminio como el vaso anterior. Etiquete este vaso de precipitados y agregue un trozo de cinta de autoclave en la parte superior del papel de aluminio.
6. Envuelva 1 espátula en papel de aluminio y asegúrese de que nada quede expuesto. Agregue cinta de autoclave a la espátula envuelta.
7. Autoclave los 2 vasos de precipitados y 1 espátula a 121 C durante 20 minutos durante el ciclo de esterilización. NO USE EL AUTOCLAVE EN CICLO ESTÉRIL Y SECO.
8. Una vez finalizado el ciclo de autoclave, deje que el gel se enfríe a temperatura ambiente y una vez que lo haya alcanzado, comience a operar en la cabina de seguridad biológica.
9. Asegúrese de lavarse las manos y los brazos y utilizar una técnica aséptica adecuada una vez que opere en el gabinete de bioseguridad. ASEGÚRESE también de no entrar en contacto directo con objetos que toquen el gel o que estén cerca del gel (por ejemplo, el extremo de mezcla de la espátula o la región de las láminas de aluminio que se asienta sobre el gel)
10. En la cabina de bioseguridad, mezcle la metilcelulosa en el gel para conseguir una distribución homogénea. Una vez que haya terminado de mezclar, vuelva a envolver la parte superior con la solución de gel mezclada y colóquela en el refrigerador durante la noche.
11. A partir de aquí, el gel se puede utilizar para la introducción de las células o para otros usos como la impresión.

Agregar las celdas:

1. Filtra las celdas para que tengan el mismo tamaño. Nuestro procedimiento de filtrado es

   Raspe ligeramente las células de la placa de Petri y use un tamiz de 380 micrómetros para filtrar las células.

2. Mezcle suavemente las células filtradas en la solución de hidrogel con una espátula de cabeza plana para evitar la pérdida de la mezcla (que ha sido esterilizada en autoclave).
3. Después de mezclar las células, centrifugar las burbujas.
4. A partir de aquí, el hidrogel está completo y puede usarse para impresión, curado y experimentos futuros.

Cómo desarrollar la solución de curado (cloruro de calcio 0,1 M, CaCl2)

Materiales

Cloruro de calcio

ddH20

Sacarosa (3% en peso)

Procedimiento (para hacer una solución de curado de 1L)

1. Mida 147,01 g de cloruro de calcio, 30 ml de sacarosa y 1 l de ddH20.
2. Mezcle cloruro de calcio, sacarosa y ddH20 en un vaso o recipiente grande.
3. Sumerja el gel en la solución de curado durante al menos 10 minutos para curar.

Paso 13: ¡Imprime

En teoría, la bioimpresión es extremadamente simple; sin embargo, en la práctica, hay muchos factores que pueden causar fallas. Con este gel, hemos descubierto que se pueden hacer varias cosas para maximizar el éxito de nuestra aplicación:

1. Use pequeñas cantidades de solución de CaCl2 para curar parcialmente el gel mientras imprime,
2. Use una toalla de papel en la parte inferior de la placa de Petri para aumentar la adherencia.
3. Use una toalla de papel para esparcir uniformemente pequeñas cantidades de CaCl2 sobre toda la impresión.
4. use el control deslizante de caudal en Repetier para encontrar el caudal correcto

Para diferentes aplicaciones y diferentes geles, puede ser necesario utilizar diferentes técnicas. Nuestro procedimiento se generó durante varios meses. La paciencia es clave.

Buena suerte si intentas este proyecto y no dudes en hacer cualquier pregunta.

Primer premio en el Concurso Arduino 2019