Dreidimensionaler Druck von thermoplastischen Materialien erstellen automatisiert Spritzenpumpen mit Feedback-Kontrolle für mikrofluidische Anwendungen
Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll, um eine druckgeregelte Spritzenpumpe in mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden zu konstruieren. Diese Spritzenpumpe besteht aus ein Additiv hergestellte Körper Standardhardware und OpenSource-Elektronik. Das resultierende System ist preiswert, einfach zu bauen, und liefert gut regulierte Flüssigkeitsströmung um schnelle mikrofluidischen Forschung zu ermöglichen.
Abstract
Mikrofluidik ist ein wichtiges Werkzeug in der Forschung über die biologischen, chemischen und physikalischen Wissenschaften geworden. Ein wichtiger Bestandteil von mikrofluidischen experimentieren ist ein stabiler Fluid handling-System in der Lage genau ein Einlass Durchfluss oder Eingangsdruck. Hier haben wir eine Spritze Pumpensystem in der Lage, Steuerung und Regelung der Eingangsdruck Flüssigkeit zu einem mikrofluidischen Gerät geliefert. Dieses System wurde mit preiswerten Materialien und additive Fertigungsprinzipien, dreidimensionale (3D) Druck von thermoplastischen Materialien und Komponenten möglichst Nutzung konstruiert. Dieses System besteht aus drei Hauptkomponenten: eine Spritzenpumpe, einen Drucksensor und einen programmierbaren Mikrocontroller. In diesem Papier zeigen wir eine Reihe von Protokollen für die Herstellung, Montage und Programmierung dieser Spritze Pumpensystem. Darüber hinaus haben wir repräsentative Ergebnisse enthalten, die High-Fidelity-Feedback-Kontrolle der Eingangsdruck mit diesem System zeigen. Wir erwarten dieses Protokoll ermöglicht es Forschern, kostengünstige Spritzensysteme Pumpe, fabrizieren, senken die Zugangsschranken für die Nutzung der Mikrofluidik in Biomedizin, Chemie und Materialforschung.
Introduction
Mikrofluidische Werkzeuge nützlich für Wissenschaftler in der biologischen und chemischen Forschung geworden. Aufgrund der geringen Auslastung, schnelle Messmöglichkeiten und klar definierte Strömung Profile, Mikrofluidik hat gewonnen Traktion in genomic und Proteomic Forschung, High Throughput Screening, medizinische Diagnostik, Nanotechnologie und einzellige Analyse1,2,3,4. Darüber hinaus ermöglicht die Flexibilität von mikrofluidischen Gerätedesign leicht grundlegende Wissenschaftsforschung, z. B. untersucht die räumlich-zeitliche Dynamik der kultivierten Bakterienkolonien5.
Viele Arten von Fluid-Einspritzsysteme wurden entwickelt, um genau Fluss mikrofluidischen Geräten bereitzustellen. Beispiele für solche Einspritzsysteme peristaltischen und Rezirkulation Pumpen6, Druck-Controller Systeme7und Spritze Pumpen8. Diese Einspritzsysteme, einschließlich Spritzenpumpen, bestehen oft aus teuren feinmechanischer Komponenten. Vermehrung dieser Systeme mit geschlossenen Feedback-Kontrolle des Drucks in den ausgangsfluß erhöht die Kosten dieser Systeme. Als Reaktion darauf entwickelten wir zuvor eine robuste, kostengünstige Pumpe Spritzensystem, die geschlossenen Regelkreises verwendet, um ausgegebenen Fließdruck zu regulieren. Mithilfe von geschlossenen Druckregelung ist die Notwendigkeit für teure feinmechanische Komponenten aufgehobenen9.
Die Kombination von bezahlbaren 3D-Druck Hardware und einem signifikanten Wachstum in verbunden Open-Source-Software hat die Konstruktion und Herstellung von mikrofluidischen Geräten zunehmend für Forscher aus den unterschiedlichsten Disziplinen10zugänglich. Die Systeme zur Laufwerk Flüssigkeit durch diese Geräte bleiben jedoch teuer. Zu diesem Zweck für eine kostengünstige Fluid Control System entwickelten wir eine Design, die von Forschern im Labor erfordern nur eine kleine Anzahl der Montageschritte gefertigt werden kann. Trotz seiner Low-Cost und einfache Montage kann dieses System präzise Durchflussregelung und stellt eine Alternative zu handelsüblichen, geschlossene Pumpe Spritzensysteme, die teuer werden können.
Hier bieten wir Protokolle für den Bau und die Nutzung des geschlossenen Regelkreises gesteuert Spritze Pumpensystem wir entwickelt (Abbildung 1). Das Fluid handling-System besteht aus einem physischen Spritzenpumpe inspiriert von einer früheren Studie11, einem Mikrocontroller und einem piezoresistiven Drucksensor. Wenn montiert und mit einem Proportional-Integral-Derivat (PID) Controller programmiert, wird das System eine gut regulierte, Druck-driven Strömung mikrofluidischen Geräte liefern. Dies bietet eine kostengünstige und flexible Alternative zu teuren kommerziellen Produkten, ermöglicht eine breitere Gruppe von Forschern, Mikrofluidik in ihrer Arbeit zu verwenden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier haben wir ein neues Design für eine Spritze Pumpensystem mit geschlossenen Druckregelung vorgestellt. Dies wurde erreicht durch die Integration einer 3D-gedruckten Spritzenpumpe mit einem piezoresistiven Drucksensor und ein Open-Source-Mikrocontroller. Durch den Einsatz eines PID-Reglers, waren wir in der Lage, präzise Kontrolle der Eingangsdruck und bieten schnelle Reaktionszeiten bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Stabilität über einem festgelegten Punkt.
Viele Experimente mit…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren erkennen Unterstützung durch das Office of Naval Research awards N00014-17-12306 und N00014-15-1-2502, sowie von der Air Force Office of Scientific Research award, FA9550-13-1-0108 und der National Science Foundation Grant Nr. 1709238.
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
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