三维热塑性材料的印刷, 以创建自动注射器泵的反馈控制微流控应用
Summary
在这里, 我们提出了一个协议, 建立一个压力控制注射器泵用于微流控应用。这种注射器泵是由一个加法制造的身体, 现成的硬件, 和开源电子。由此产生的系统成本低廉, 容易建立, 并提供良好的调节流体流动, 使快速微流控研究。
Abstract
微流体已成为研究跨生物、化学和物理科学的重要工具。微流控实验的一个重要组成部分是稳定的流体处理系统, 能够准确地提供进水流速率或进气压力。在这里, 我们开发了一种注射器泵系统, 能够控制和调节输送到微流控装置的入口流体压力。该系统的设计采用低成本材料和添加剂制造原则, 利用三维 (3D) 印刷热塑性材料和现成的组件, 只要可能的话。该系统由三主要部件组成: 注射器泵、压力传感器和可编程微控制器。在本文中, 我们详细介绍了一组用于制造、装配和编程这个注射器泵系统的协议。此外, 我们还包括了具有代表性的结果, 证明了高保真度, 反馈控制的入口压力使用这个系统。我们预计这项协议将允许研究人员制造低成本的注射器泵系统, 降低在生物医学、化学和材料研究中使用微流体的进入屏障。
Introduction
微流控工具已成为科学家在生物和化学研究的有用。由于体积利用率低, 快速测量能力和明确的流量剖面, 微流体在基因组和蛋白质研究、高通量筛选、医学诊断、纳米技术和单细胞分析1,2,3,4。此外, 微流控装置设计的灵活性容易使基础科学研究, 如调查细菌菌落的时空动态5。
许多类型的流体喷射系统已经开发, 以准确地提供流到微流控设备。这种喷射系统的例子包括蠕动和循环泵6、压力控制器系统7和注射器泵8。这些注射系统, 包括注射器泵, 通常由昂贵的精密工程部件组成。通过闭环反馈控制输出流中的压力, 增加这些系统的成本。作为回应, 我们以前开发了一个健壮的, 低成本的注射器泵系统, 使用闭环反馈控制, 以调节输出流量压力。采用闭环压力控制, 对昂贵的精密工程部件的需求被废止9。
可负担得起的 3 d 打印硬件和相关开源软件的显著增长组合使得微流控设备的设计和制造越来越多地从各种学科10的研究人员那里获得。然而, 用于通过这些设备驱动流体的系统仍然很昂贵。为了满足对低成本流体控制系统的需求, 我们开发了一个可以由实验室的研究人员制作的设计, 只需要少量的装配步骤。尽管它的成本低且简单, 但该系统可以提供精确的流量控制, 并提供了一种替代商用, 闭环注射器泵系统, 这可能是令人望而却步的昂贵。
在这里, 我们为我们开发的闭环控制注射器泵系统的建造和使用提供了协议 (图 1)。流体处理系统由以前的研究11、单片机和压阻式压力传感器所启发的物理注射器泵组成。当用比例积分-导数 (PID) 控制器组装和编程时, 系统能够向微流控装置提供良好的受控压力驱动流。这为高成本商业产品提供了低成本和灵活的替代方案, 使更广泛的研究人员能够在工作中使用微流体。
Protocol
1. 注射器泵3级打印和组装 准备和 3 d 打印注射器泵组件 下载。STL 设计文件从本文的补充文件。注: 有六。stl 文件, 标题为 “JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size”、”JoVE_Syringe_Platform”、”JoVE_Syringe_Plunger_Connectors”、”JoVE_Syringe_Pump_End_Stop. stl”、”JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector. stl” 和 “JoVE_Syringe_Pump_Traveler_”在补充文件中推. stl。这些文件对应于注射器泵的3维打印部件?…
Representative Results
在这里, 我们提出了一个建立一个反馈控制的注射器泵系统的协议, 并展示了它的潜在用途的微流控应用。图 1显示了注射器泵、压力传感器、微流控装置、单片机、压力传感器电路和步进电机驱动程序的连接系统。注射器泵总成的详细标注见图 2 , 压力传感电子电路示意图载于图 3。调整控制参数的过程如…
Discussion
在这里, 我们提出了一个新的设计的注射器泵系统的闭环压力控制。这是通过集成一个 3 d-打印注射器泵与压阻式压力传感器和开放源码微控制器。通过采用 PID 控制器, 能够精确控制进气压力, 提供快速响应时间, 同时保持设定点的稳定性。
许多使用微流控器件的实验都需要精确的射流控制, 并能开发出具有良好特征的层流剖面。一个稳定的流量剖面很重要的例子包括探索时间…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
提交人承认来自海军研究奖 N00014-17-12306 和 N00014-15-1-2502 的支持, 以及来自空军科研奖 FA9550-13-1-0108 和国家科学基金会赠款1709238号的支助。
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 |
Riferimenti
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3D PrintingThermoplastic MaterialsAutomated Syringe PumpsFeedback ControlMicrofluidic ApplicationsAdditive ManufacturingOpen-source ElectronicsLaboratory InstrumentationAcrylonitrile Butadiene StyrenePolylactic AcidThermoplastic ElastomersStepper MotorThreaded RodLinear Ball BearingsTraveler PushPrecision Liquid HandlingBiologia MolecolareCell BiologySystems BiologyChemical EngineeringMicrofabricationLow-cost Pressure-regulated Syringe Pumps
Citazione di questo articolo
Chen, M., Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications. J. Vis. Exp. (138), e57532, doi:10.3791/57532 (2018).