Perangkat Biomedis Sumber Terbuka Micro-centrifuge: 11 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Ini adalah proyek berkelanjutan yang akan diperbarui dengan dukungan masyarakat dan penelitian serta instruksi lebih lanjut

Tujuan dari proyek ini adalah untuk membuat peralatan lab modular open-source yang mudah diangkut dan dibuat dari suku cadang yang murah untuk membantu diagnosis penyakit di daerah terpencil dan infrastruktur rendah

Ini akan menjadi proyek open-source yang berkelanjutan dengan misi menyediakan platform modular untuk perangkat medis, yang dapat dengan mudah dimodifikasi dan diperluas dengan biaya rendah

Desain awal adalah untuk baterai modular dan paket motor DC, dan sentrifugal mikro

Ini akan mencari bantuan komunitas open-source online untuk membantu dengan dukungan, modifikasi, dan desain lebih lanjut, untuk menargetkan kebutuhan spesifik individu petugas kesehatan di daerah terpencil dan pedesaan

PENOLAKAN: Proyek masih menjalani pengujian desain dan fungsionalitas dan belum cocok untuk aplikasi diagnostik atau klinis APAPUN. Elektronik dan motor harus dirakit dan digunakan dengan risiko ditanggung sendiri oleh pembaca

Langkah 1: Pernyataan Masalah dan Desain

Pernyataan masalah:

Kurangnya akses ke laboratorium dan peralatan klinis untuk membantu dalam diagnosis dan pengobatan penyakit menyebabkan banyak kematian yang dapat dicegah di daerah terpencil dan infrastruktur rendah. Secara khusus, kurangnya akses ke sentrifugal dasar yang andal membuat petugas kesehatan kehilangan alat vital dalam memerangi patogen yang ditularkan melalui darah seperti AIDS dan malaria.

Pernyataan Desain: Untuk merancang sentrifus mikro, dan baterai modular serta paket motor DC, untuk membantu dalam diagnosis dan pengobatan penyakit yang disebabkan oleh penyakit yang ditularkan melalui darah (patogen dan parasit). Memanfaatkan teknik manufaktur aditif jika memungkinkan, desain ini berupaya meningkatkan portabilitas dan menurunkan hambatan ekonomi dari teknologi yang menyelamatkan jiwa.

Langkah 2: Alasan Desain:

Desain ini bertujuan untuk menghasilkan microcentrifuge yang cocok untuk penggunaan pengganti di daerah pedesaan dengan memanfaatkan pencetakan 3D FDM desktop, pemotongan laser, dan elektronik tingkat hobi. Dengan demikian, diharapkan perangkat ini dapat diakses oleh berbagai profesional kesehatan dengan berbagai akses ke sumber daya.

Saat merancang rotor centrifuge (bagian dari desain yang menahan tabung reaksi):

Gaya G yang diperlukan untuk pemisahan sampel bergantung pada jenis sampel yang diinginkan, dengan gaya rata-rata untuk memisahkan darah ke dalam konstituennya berkisar antara 1.000 – 2.000 g (thermofisher.com)

Perhitungan RPM ke RFC (G-force), dapat dihitung menggunakan RCF = (rpm)2 × 1,118 × 10-5 × r, di mana 'r' adalah jari-jari rotor (bcf.technion.ac.il)

Langkah 3: Pertimbangan Desain

Pertimbangan manufaktur aditif:

• Daya rekat lapisan yang buruk dapat terjadi, mengakibatkan kekuatan tarik yang buruk dan kerusakan bagian

• Properti yang dibutuhkan, akan bervariasi dengan bahan. Beberapa menawarkan regangan lateral dan kekuatan kompresi yang baik dengan bobot dan biaya rendah

• Pengaturan yang benar selama pemotongan kode-G harus diterapkan untuk memastikan bahwa sifat material yang diinginkan diperoleh

• Umur panjang bagian yang diproduksi menggunakan teknik ini relatif rendah jika dibandingkan dengan yang menggunakan teknik dan bahan yang lebih mahal seperti logam penggilingan CNC.

• Termoplastik memiliki suhu transisi yang relatif rendah, sehingga suhu pengoperasian yang rendah harus dipertahankan (< approx. 80-90 celcius) • Desain cetak 3d open source akan memungkinkan pengguna untuk memodifikasi desain sesuai dengan kebutuhan dan batasan mereka

Batasan desain lebih lanjut:

• Beberapa area mungkin tidak memiliki akses listrik yang memadai, mungkin harus ditenagai oleh tenaga surya portabel dasar, baterai, dll.

• Getaran dan keseimbangan mungkin menjadi masalah

• Harus dapat menghasilkan RPM tinggi untuk periode hingga 15 menit atau lebih, menghasilkan tekanan mekanis yang tinggi pada beberapa bagian

• Pengguna mungkin tidak berpengalaman dalam penggunaan peralatan dan akan membutuhkan dukungan untuk menurunkan hambatan teknis

Langkah 4: Desain Modul Awal/Dasar

Desain di atas memanfaatkan ruang sebaik mungkin untuk menyediakan ruang yang memadai bagi komponen elektronik internal dan memastikan radius yang cukup besar untuk berbagai rotor sentrifus dan ukuran tabung. Gaya desain 'snap together' telah dipilih untuk menghilangkan kebutuhan akan material pendukung selama produksi dan untuk memudahkan pencetakan, perbaikan, dan fabrikasi baik dalam manufaktur aditif maupun subtraktif. Selain itu, pencetakan bagian-bagian individual yang lebih kecil akan mengurangi dampak kegagalan/kesalahan pencetakan, dan memungkinkan penggunaan berbagai ukuran alas cetak yang lebih besar.

Dengan memanfaatkan desain modular, berbagai jenis mangkuk sentrifugal dapat dipasang ke perangkat. Modifikasi cepat dan produksi suku cadang ini melalui manufaktur aditif memungkinkan perubahan pada G-force yang dihasilkan, dan ukuran/jenis sampel yang diproses. Ini membantu memberikan keunggulan dibandingkan mesin tradisional dan memberikan pendekatan inovatif untuk merancang mesin sesuai kebutuhan pengguna akhir. Selain itu, wadah ballast memberikan kesempatan untuk menambah dukungan dan meredam getaran

Langkah 5: Daftar Bagian

Bagian cetak 3d: File akan diunggah ke Github dan thingiverse dan diperbarui secepatnya.

• 1 x Sekrup Spindle
• 1 x Kacang Rotor
• 1 x Tutup Kacang
• 1 x Tutup Utama
• 4 x Tubuh Rotor
• 1 x Rotor Sudut Tetap
• 4 x Ballast Atas/Bawah
• 2 x Ballast Samping

Elektronik:(Tautan ke produk segera)

Arduino Nano ($8-10)

Kabel Konektor (<$0.2)

Pengontrol Kecepatan Elektronik ($8-10)

Motor DC Tanpa Kuas 12V ($15-25)

Potensiometer ($0,1)

Baterai isi ulang Li-po ($15-25)

Langkah 6: Pencetakan Bagian:

Semua bagian tersedia dari github di sini: Juga tersedia dari thingiverse di sini:

Bagian yang dicetak 3d: 1 x Sekrup Spindle

1 x Kacang Rotor

1 x Tutup Kacang

1 x Tutup Utama

4 x Rotor Tubuh

1 x Rotor Sudut Tetap

4 x Ballast Atas/Bawah

2 x Ballast Samping

Pengaturan draf umum dari Cura, atau serupa dalam perangkat lunak pengiris tertentu, adalah pedoman yang baik untuk mencetak semua bagian bodi dan pemberat.

Langkah 7: Perakitan: Langkah Pertama

• Siapkan bagian-bagian berikut untuk perakitan seperti yang ditunjukkan:

  • Basis sentrifugal
  • casing komponen
  • 4 x tubuh rotor
• Semua bagian harus pas bersama-sama dan diamankan dengan perekat yang sesuai

Langkah 8: Perakitan: Komponen Elektronik

Siapkan komponen elektronik berikut untuk pengujian:

• Motor DC dan ECS
• Baterai
• Arduino Nano
• Papan tempat memotong roti
• Potensiometer
• Kabel jumper

Coding dan instruksi untuk arduino dapat ditemukan di sini:

Artikel oleh

Motor uji berjalan lancar dan responsif terhadap potensiometer. Jika ya, maka pasang elektronik ke dalam casing dan uji motor berjalan mulus dan dengan sedikit getaran.

Gambar penempatan yang tepat akan segera ditambahkan.

Langkah 9: Perakitan: Memasang Rotor dan Sekrup Spinner

Kumpulkan mur rotor, roller, Spinner, dan spinner.

Pastikan semua bagian memiliki kecocokan yang baik. Pengamplasan dapat membantu jika pas terlalu ketat.

Pastikan rotor memiliki jalur yang mulus dan tidak melompat atau bergoyang secara berlebihan. Piring datar dapat dicetak, atau dipotong dari akrilik, untuk membantu stabilitas jika diperlukan.

Setelah komponen diamplas dan dipasang, pasang sekrup pemintal ke poros motor dan kencangkan rotor dengan mur seperti yang ditunjukkan.

Rotor dapat dilepas untuk membongkar dan memuat sampel, atau untuk mengubah jenis rotor.

Langkah 10: Perakitan: Ballast dan Tutup

Kumpulkan wadah pemberat atas dan samping, ini akan bertindak sebagai penopang, pemberat, dan peredam getaran.

Bagian harus disatukan dan tetap di tempatnya saat diisi. Jika perlu, bagian-bagiannya dapat direkatkan dengan lem super atau perekat serupa.

Tutup utama di atas rotor harus pas dengan aman saat diikat dengan mur rotor atas.

Bagian harus sesuai seperti yang ditunjukkan pada gambar.

Langkah 11: Kesimpulan

Petugas kesehatan lokasi terpencil menghadapi tantangan hambatan ekonomi dan logistik yang terkait dengan memperoleh dan memelihara perangkat dan suku cadang medis dan diagnostik yang vital. Kurangnya akses ke peralatan dasar seperti sentrifugal dan sistem pompa dapat menyebabkan waktu tunggu yang fatal dan kesalahan diagnosis.

Desain ini telah memenuhi hasil yang diinginkan dalam menunjukkan bahwa layak untuk membuat perangkat medis open-source (microcentrifuge), menggunakan teknik manufaktur desktop dan komponen elektronik dasar. Itu dapat diproduksi dengan sepersepuluh biaya mesin yang tersedia secara komersial, dan mudah diperbaiki atau dibongkar untuk suku cadang yang akan digunakan di perangkat lain, menurunkan hambatan ekonomi. Komponen elektronik menyediakan daya andal yang konstan untuk waktu yang diperlukan untuk memproses sampel darah yang paling umum, memberikan diagnostik yang lebih baik daripada unit bertenaga tangan, atau outlet, di area infrastruktur rendah. Kelayakan desain ini memiliki potensi masa depan dalam pengembangan platform perangkat medis sumber terbuka modular, menggunakan seperangkat komponen inti untuk menggerakkan berbagai peralatan seperti pompa peristaltik, atau seperti dalam desain ini, sentrifugal mikro. Dengan pembentukan perpustakaan file sumber terbuka, akses ke printer FDM tunggal dapat digunakan untuk menghasilkan berbagai bagian, dengan sedikit pengetahuan dalam desain yang dibutuhkan oleh pengguna akhir. Ini akan menghilangkan masalah logistik yang terkait dengan pengiriman komponen dasar, menghemat waktu dan nyawa.