인쇄를 만드는 열가 소성 재료의 3 차원 미세 응용 프로그램에 대 한 피드백 제어와 주사기 펌프를 자동
Summary
여기 선물이 미세 응용 프로그램에 사용 되는 압력 제어 주사기 펌프를 구성 하는 프로토콜. 이 주사기 펌프는 없애는 제조, 상용 하드웨어, 본문과 오픈 소스 전자에서 이루어집니다. 결과 시스템은 저가, 간단 하 게 구현할 빠른 미세 연구 수 있도록 잘 규제 유체 흐름을 제공 합니다.
Abstract
마이크로 생물, 화학, 및 물리 과학 연구에 중요 한 도구가 되고있다. 미세 실험의 한 중요 한 구성 요소는 안정적인 액체 처리 시스템의 정확 하 게는 입구 유량 또는 입구 압력. 여기, 우리는 주사기 펌프 시스템 제어 개발 하 고 미세 장치에 전달 입구 유체 압력을 조절. 이 시스템은 저가 재료 및 첨가제 제조 원리, 열가 소성 물질과 가능한 상용 부품의 3 차원 (3D) 인쇄를 활용 하 여 사용 하 여 설계 되었습니다. 이 시스템은 세 가지 주요 구성 요소 구성: 주사기 펌프, 압력 변환기 및 프로그래밍 가능한 마이크로컨트롤러. 이 문서 내에서 제조, 조립, 그리고 프로그래밍이 주사기 펌프 시스템에 대 한 프로토콜의 집합을 선발. 또한, 우리는 높은-충실도,이 시스템을 사용 하 여 입구 압력의 피드백 제어를 보여 주는 대표적인 결과 포함 했다. 우리 기대이 프로토콜 저가 주사기 펌프 시스템을 조작 하는 연구자 수 마이크로의 사용에 대 한 진입 장벽 낮추기에 생물 의학, 화학 및 재료 연구.
Introduction
미세 도구 되고있다 유용 과학자에 대 한 생물학과 화학 연구에. 낮은 볼륨 사용, 신속한 측정 기능, 및 잘 정의 된 흐름 프로필, 마이크로 게놈에서 견인을 얻고 있다 및 proteomic 연구, 높은 처리량 검열, 의료 진단, 나노기술, 및 단일 셀 분석1,2,,34. 또한, 미세 장치 디자인의 유연성은 쉽게 교양된 세균성 식민지5spatiotemporal 역학 조사 등 기초 과학 연구를, 수 있습니다.
다양 한 유체 분사 시스템 미세 장치에 흐름을 정확 하 게 제공을 개발 되었습니다. 이러한 주입 시스템의 예로 연동 및 재순환 펌프6, 압력 컨트롤러 시스템7및 주사기 펌프8. 이러한 주입 시스템, 주사기 펌프를 포함 하 여 종종 비싼 정밀 설계 부품의 구성 됩니다. 이러한 시스템의 비용을 추가 출력 흐름에 압력의 폐쇄 루프 피드백 제어와 이러한 시스템을 보강 합니다. 응답, 우리는 이전 폐쇄 루프 피드백 제어를 사용 하 여 출력된 흐름 압력을 조절 하는 강력한, 낮은-비용 주사기 펌프 시스템을 개발 했다. 폐쇄 루프 압력 제어를 사용 하 여 고가의 정밀 엔지니어링 부품 폐지9입니다.
저렴 한 3D 인쇄 하드웨어와 관련 된 오픈 소스 소프트웨어에 중요 한 성장 조합이 했다 설계 및 미세 소자의 제조 분야10의 다양 한 연구자에 게 점점 더 액세스할 수 있습니다. 그러나,이 장치를 통해 드라이브 유체에 사용 되는 시스템 비싼 남아 있습니다. 저 비 유체 제어 시스템에 대 한이 필요를 해결 하기 위해 우리는 어셈블리 단계 수가 적은 요구는 실험실에서 연구자에 의해 날조 될 수 있다 디자인을 개발 했다. 그것의 저가 및 간단한 어셈블리에도 불구 하 고이 시스템 정확한 흐름 제어를 제공할 수 있고 상용, 폐쇄 루프 주사기 펌프 시스템, prohibitively 비싼 될 수 있는 대안을 제공 합니다.
여기, 우리 건설 및 폐쇄 제어 루프의 사용에 대 한 프로토콜을 제공 주사기 펌프 시스템 개발 (그림 1). 유체 처리 시스템은 이전 연구11, 마이크로컨트롤러, 압 저항 형 압력 센서에 의해 영감 을된 실제 주사기 펌프의 구성 됩니다. 조립 하 고 비례-적분-미분 (PID) 컨트롤러와 프로그램, 시스템은 미세 장치에 잘 규제, 압력 제어 흐름을 제공 수 있습니다. 이 마이크로 사용 하 여 그들의 작품을 연구의 광범위 한 그룹의 사용 가능한 높은 비용 상용 제품을 저렴 하 고 유연한 대안을 제공 합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기, 우리는 폐쇄 루프 압력 제어와 주사기 펌프 시스템에 대 한 새로운 디자인을 제시. 이 압 저항 압력 센서와 오픈-소스 마이크로컨트롤러 3D 인쇄 주사기 펌프를 통합 하 여 달성 되었다. PID 컨트롤러를 사용 하 여 정확 하 게 입구 압력을 제어 하 고 동시에 세트 포인트에 대 한 안정성을 유지 하면서 빠른 응답 시간을 제공할 수 있었습니다.
미세 소자를 사용 하 여 많은 ?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 해군 연구 사무실에서에서 지원 N00014-17-12306 및 N00014-15-1-2502, 수상으로 과학적인 연구의 공군 사무실에서 수상 FA9550-13-1-0108 국립 과학 재단 보조금 번호 1709238을 인정 합니다.
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
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