Üç boyutlu termoplastik malzemelerin oluşturmak için yazdırma şırınga pompalar geribildirim denetimiyle mikrosıvısal uygulamalar için otomatik
Summary
Burada mikrosıvısal uygulamalarında kullanılmak üzere bir basınç kontrollü şırınga pompa oluşturmak için bir iletişim kuralı mevcut. Bu şırınga pompa bir additively imal edilmiş vücut, kapalı donanım ve açık kaynak elektronik yapılır. Elde edilen sistemdir düşük maliyetli, oluşturmak, basit ve hızlı mikrosıvısal araştırma etkinleştirmek için iyi düzenlenmiş sıvı akışı sunar.
Abstract
Havacilik biyolojik, kimyasal ve fiziksel bilimler arasında araştırma kritik bir araç haline gelmiştir. Bir önemli mikrosıvısal deneme sistemi doğru bir giriş akış hızı veya giriş basıncı verebilmektedir istikrarlı bir akışkan bileşenidir. Burada, biz kontrol özelliğine sahip bir şırınga pompa sistemi geliştirdik ve giriş sıvı basıncı düzenleyen bir mikrosıvısal aygıtına teslim. Bu sistem düşük maliyetli malzemeler ve termoplastik malzeme ve kapalı mümkün olan her durumda, üç boyutlu (3D) baskı yararlanarak katkı üretim ilkeleri kullanılarak tasarlanmıştır. Bu sistem üç ana bileşenden oluşur: bir şırınga pompa, basınç detektörler ve programlanabilir mikroişlemci. Bu kağıt, imalatı, montajı ve bu şırınga pompa sistemi programlama için iletişim kuralları kümesi detay. Ayrıca, yüksek sadakat, bu sistemi kullanarak giriş basıncı kontrolünü geri bildirim göstermek temsilcisi sonuçları dahil ettik. Bu iletişim kuralı araştırmacılar düşük maliyetli şırınga pompa sistemleri, imal etmek sağlayacak Havacilik kullanımı için giriş bariyeri düşürücü bekliyoruz içinde biyomedikal, kimya ve malzeme araştırma.
Introduction
Mikrosıvısal araçları biyolojik ve kimyasal araştırmada bilim adamları için yararlı hale gelmiştir. Düşük hacimli kullanımı, hızlı ölçüm yetenekleri ve iyi tanımlanmış akışı profilleri nedeniyle, havacilik arazi içinde genomik kazanmıştır ve proteomik araştırma, yüksek üretilen iş tarama, tıbbi teşhis, nanoteknoloji ve tek hücreli analiz1,2,3,4. Ayrıca, mikrosıvısal aygıt tasarım esnekliğini kolayca kültürlü bakteri kolonileri5kronolojik zamanmekansal dinamiklerini araştıran gibi temel bilim araştırma sağlar.
Adl tip-in sıvı enjeksiyon sistemleri doğru akış mikrosıvısal cihazlara sunmak için geliştirilmiştir. Böyle enjeksiyon sistemleri örnekler peristaltik ve devridaim pompalar6, basınç kontrol sistemleri7ve Enjektör pompalar8. Şırınga pompalar, dahil olmak üzere bu enjeksiyon sistemleri genellikle pahalı hassas mühendislik bileşenlerden oluşur. Çıkış akışı basıncı kapalı döngü geri besleme kontrolü ile bu sistemler artırmada bu sistemler maliyet ekler. Buna karşılık, daha önce Çıktılanan akış basıncı düzenlemek için kapalı çevrim geribildirim denetimini kullanan bir sağlam, düşük maliyetli şırınga pompa sistemi geliştirdi. Kapalı çevrim basınç denetimi kullanarak, pahalı bileşenleri hassas mühendislik ihtiyacını kaldırıldı9‘ dur.
Uygun fiyatlı 3D baskı donanım ve ilişkili açık kaynak yazılım önemli bir artış ile birlikte tasarım ve imalat mikrosıvısal cihazların giderek disiplinler10çeşitli araştırmacılar için erişilebilir yaptı. Ancak, bu cihazlar aracılığıyla sürücü sıvı için kullanılan sistemler pahalı kalır. Bir düşük maliyetli sıvı kontrol sistemi için bu gereksinimi karşılamak için derleme adımları yalnızca az sayıda gerektiren laboratuvarında araştırmacılar tarafından sahte olduğu bir tasarım geliştirdi. Rağmen düşük maliyetli ve kolay montaj, bu sistem hassas akış denetimi sağlayabilir ve çok pahalı olabilir piyasada bulunan, kapalı çevrim şırınga pompa sistemleri bir alternatif sağlar.
Burada, inşaat ve kapalı kontrol döngü kullanımı için protokolleri sağlamak şırınga pompa sistemi biz (Şekil 1). Akışkan sistemi önceki bir çalışma11, mikroişlemci ve piezoresistive basınç sensörü esinlenerek bir fiziksel şırınga pompa oluşur. Monte ve bir orantılı-integral-türev (PID) denetleyicisi ile programlanmış, sistem iyi düzenlenmiş, basınç odaklı akışı mikrosıvısal cihazlara sunma yeteneğine sahip olur. Bu yüksek maliyetli ticari ürünler, daha geniş bir grup araştırmacı Havacilik işlerinde kullanmak üzere etkinleştirme için ucuz ve esnek bir alternatif sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, kapalı çevrim basınç kontrolü ile bir şırınga pompa sistemi için yeni bir tasarım sundu. Bu bir 3D baskılı şırınga pompa piezoresistive basınç sensörü ve bir açık kaynak mikroişlemci ile entegre ederek başarılı oldu. PID denetleyicisi istihdam ederek, biz tam olarak giriş basıncı kontrol etmek ve aynı anda bir ayar noktası hakkında istikrar korurken hızlı yanıt süreleri sağlar başardık.
Mikrosıvısal aygıtlarını kullanarak birçok deney ve hass…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar deniz araştırma Office destek N00014-17-12306 ve N00014-15-1-2502 Ödülleri yanı sıra hava kuvvetleri Office bilimsel araştırma–dan FA9550-13-1-0108 ve Ulusal Bilim Vakfı Hibe No 1709238 Ödülü kabul etmiş oluyorsunuz.
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 |
References
- 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).
