Трехмерная печать термопластических материалов для создания автоматических насосов шприц с обратной связью для Microfluidic приложений
Summary
Здесь мы представляем протокол для создания давления контролируемой шприцевый насос для использования в приложениях microfluidic. Этот шприцевый насос изготовлен из аддитивно выпускаемой тела, готовое оборудование и электроника открытым исходным кодом. Результирующая система лоу кост, просто построить и обеспечивает четко регулируемого потока жидкости для включения быстрого microfluidic исследований.
Abstract
Микрофлюидика стала важнейшим инструментом в исследованиях биологических, химических и физических наук. Одним из важных компонентов microfluidic экспериментов является стабильная жидкость, обработка системы, способной точно обеспечивая скорость потока входного или входного давления. Здесь мы разработали шприц насос системы, способной контролировать и регулирования давления жидкости на входе доставлен microfluidic устройство. Эта система была разработана с использованием недорогих материалов и принципы аддитивного производства, используя трехмерные (3D) печать термопластичных материалов и готовых компонентов, когда это возможно. Эта система состоит из трех основных компонентов: шприцевый насос, датчики давления и программируемый микроконтроллер. В настоящем документе мы подробно набор протоколов для изготовления, монтаж и программирование этой системы насоса шприца. Кроме того мы включили представителя результаты, которые демонстрируют высокой четкости, контроль давления на входе, с помощью этой системы обратной связи. Мы ожидаем, что этот протокол позволит исследователям для изготовления шприц лоу кост насосные системы, снижая барьеры для использования микрофлюидика в медико-биологических, химических и материалы исследования.
Introduction
Microfluidic инструменты стали полезными для ученых в биологических и химических исследований. Из-за низкого объема использования, возможности быстрого измерения и четко потока профили, микрофлюидика получила тяговых в геномной и протеомических исследований, высокопроизводительного скрининга, медицинской диагностики, нанотехнологии и одноклеточного анализ1,2,3,4. Кроме того гибкость конструкции устройства microfluidic легко позволяет базовых научных исследований, например расследование пространственно-временных динамика культивировали бактериальных колоний5.
Для точно доставить поток microfluidic приборы были разработаны многие типы систем впрыска жидкости. Примерами таких систем впрыска перистальтические и рециркуляционные насосы6, регулятор давления систем7и шприц насосы8. Эти системы впрыска, включая насосы шприц, часто состоят из дорогих точность инженерии компонентов. Расширение этих систем с обратной связью контроля давления в поток выходных данных добавляет к стоимости этих систем. В ответ мы ранее разработанных надежных, недорогих шприц насоса система, которая использует замкнутой обратной связью для регулирования давления выводимый потока. С помощью давления замкнутого цикла управления, потребность в дорогостоящих компонентов, точности инженерии является отменены9.
Сочетание доступного аппаратного 3D-печати и значительный рост связан с открытым исходным кодом сделал более доступным для исследователей из различных дисциплин10дизайн и изготовление microfluidic приборы. Однако систем, используемых для привода жидкости через эти устройства по-прежнему дорого. Для удовлетворения этой потребности для лоу кост жидкости управления системы, мы разработали дизайн, который может быть изготовлена исследователями в лаборатории, требуя лишь небольшое количество шагов сборки. Несмотря на ее недорогой и простой Ассамблеи эта система может обеспечить точное потока управления и предоставляет альтернативу коммерчески доступных, замкнутая шприц насосные системы, которые могут быть дорогими.
Здесь, мы предоставляем протоколы для строительства и использования замкнутой контролируемых шприцов насоса системы, мы разработали (рис. 1). Жидкость, система обработки состоит из физического шприцевый насос Вдохновленный предыдущего исследования11, микроконтроллер и Пьезорезистивный сенсор давления. Когда собрались и запрограммированы с контроллером (PID) пропорционально интеграл производная, система способна доставлять хорошо регулируемых, давление ориентированный поток microfluidic приборы. Это обеспечивает лоу кост и гибкой альтернативой высокой стоимостью коммерческих продуктов, что позволяет более широкой группы исследователей использовать микрофлюидика в их работе.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь мы представили новый дизайн для системы насоса шприца с регулированием давления замкнутого цикла. Это было достигнуто путем объединения 3D-печати шприцевый насос с датчиком давления Пьезорезистивный и микроконтроллер открытым исходным кодом. Используя контроллер PID, мы смогли т?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают, что поддержка управлением военно-морских исследований награды N00014-17-12306 и N00014-15-1-2502, а также от ВВС управлением научных исследований премии FA9550-13-1-0108 и Национальный 1709238 № Грант фонда науки.
Materials
| Arduino IDE | Arduino.org | Arduino Uno R3 control software | |
| Header Connector, 2 Positions | Digi-Key | WM4000-ND | |
| Header Connector, 3 Positions | Digi-Key | WM4001-ND | |
| Header Connector, 4 Positions | Digi-Key | WM4002-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Black | Digi-Key | 1528-1752-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Blue | Digi-Key | 1528-1757-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Red | Digi-Key | 1528-1750-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, White | Digi-Key | 1528-1768-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Yellow | Digi-Key | 1528-1751-ND | |
| Instrumentation Amplifier | Texas Instruments | INA122P | |
| Microcontroller, Arduino Uno R3 | Arduino.org | A000066 | |
| Mini Breadboard | Amazon | B01IMS0II0 | |
| Power Supply | BK Precision | 1550 | |
| Pressure Sensor | PendoTech | PRESS-S-000 | |
| Rectangular Connectors, Housings | Digi-Key | WM2802-ND | |
| Rectangular Connectors, Male | Digi-Key | WM2565CT-ND | |
| Resistors, 10k Ohm | Digi-Key | 1135-1174-1-ND | |
| Resistors, 330 Ohm | Digi-Key | 330ADCT-ND | |
| Stepper Motor Driver, EasyDriver | Digi-Key | 1568-1108-ND | |
| USB 2.0 Cable, A-Male to B-Male | Amazon | PC045 | |
| 3D Printed Material, Z-ABS | Zortrax | A variety of colors are available | |
| 3D Printer | Zortrax | M200 | Printing out the syringe pump components |
| Ball Bearing, 17x6x6mm | Amazon | B008X18NWK | |
| Hex Machine Screws, M3x16mm | Amazon | B00W97MTII | |
| Hex Machine Screws, M3x35mm | Amazon | B00W97N2UW | |
| Hex Nut, M3 0.5 | Amazon | B012U6PKMO | |
| Hex Nut, M5 | Amazon | B012T3C8YQ | |
| Lathe Round Rod | Amazon | B00AUB73HW | |
| Linear Ball Bearing | Amazon | B01IDKG1WO | |
| Linear Flexible Coupler | Amazon | B010MZ8SQU | |
| Steel Lock Nut, M3 0.5 | Amazon | B000NBKLOQ | |
| Stepper Motor, NEMA-17, 1.8o/step | Digi-Key | 1568-1105-ND | |
| Syringe, 10mL, Luer-Lok Tip | BD | 309604 | |
| Threaded Rod | Amazon | B01MA5XREY | |
| 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane | FisherScientific | AAL1660609 | |
| Camera Module | Raspberry Pi Foundation | V2 | |
| Compact Oven | FisherScientific | PR305220G | Baking PDMS pre-polymer mixture and the device |
| Dispensing Needle, 22 Gauge | McMaster-Carr | 75165A682 | |
| Dispensing Needle, 23 Gauge | McMaster-Carr | 75165A684 | |
| Fisherbrand Premium Cover Glasses | FisherScientific | 12-548-5C | |
| Glass Culture Petri Dish, 130x25mm | American Educational Products | 7-1500-5 | |
| Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | Binding the cover glass with the PDMS device |
| Razor Blades | FisherScientific | 7071A141 | |
| Scotch Magic Tape | Amazon | B00RB1YAL6 | |
| Single-board Computer | Raspberry Pi Foundation | Raspberry Pi 2 model B | |
| Smart Spatula | FisherScientific | EW-06265-12 | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | FisherScientific | NC9644388 | |
| Syringe Filters | Thermo Scientific | 7252520 | |
| Tygon Tubing | ColeParmer | EW-06419-01 | |
| Vacuum Desiccator | FisherScientific | 08-594-15C | Degasing PDMS pre-polymer mixture and coating fluorosilane on the master mold |
| Weighing Dishes | FisherScientific | S67090A |
Referenzen
- Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
- Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (9), 554-567 (2015).
- Prakadan, S. M., Shalek, A. K., Weitz, D. A. Scaling by shrinking: empowering single-cell ‘omics’ with microfluidic devices. Nature Reviews Genetics. 18 (6), (2017).
- Kim, Y., Langer, R. Microfluidics in nanomedicine. Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine. 1, 127-152 (2015).
- Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
- Skafte-Pedersen, P., Sabourin, D., Dufva, M., Snakenborg, D. Multi-channel peristaltic pump for microfluidic applications featuring monolithic PDMS inlay. Lab on a Chip. 9 (20), 3003-3006 (2009).
- Heo, Y. J., Kang, J., Kim, M. J., Chung, W. K. Tuning-free controller to accurately regulate flow rates in a microfluidic network. Scientific Reports. 6, 23273 (2016).
- Kuczenski, B., LeDuc, P. R., Messner, W. C. Pressure-driven spatiotemporal control of the laminar flow interface in a microfluidic network. Lab on a Chip. 7 (5), 647-649 (2007).
- Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), (2017).
- Kong, D. S., et al. Open-source, community-driven microfluidics with metafluidics. Nature Biotechnology. 35 (6), 523-529 (2017).
- Wijnen, B., Hunt, E. J., Anzalone, G. C., Pearce, J. M. Open-source syringe pump library. PLoS One. 9 (9), e107216 (2014).
- Ferry, M. S., Razinkov, I. A., Hasty, J. Microfluidics for synthetic biology: from design to execution. Methods in Enzymology. , 295-372 (2011).
- . Arduino Libraries for Timer.h Available from: https://github.com/JChristensen/Timer (2018)
- . Arduino Libraries for AccelStepper.h Available from: https://github.com/adafruit/AccelStepper (2018)
- Lin, F., et al. Generation of dynamic temporal and spatial concentration gradients using microfluidic devices. Lab on a Chip. 4 (3), 164-167 (2004).
- Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).
