Bioprinter Biaya Rendah: 13 Langkah (dengan Gambar)

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

Kami adalah tim peneliti yang dipimpin sarjana di UC Davis. Kami adalah bagian dari BioInnovation Group, yang beroperasi di TEAM Molecular Prototyping dan BioInnovation Lab (Penasihat Dr. Marc Facciotti, dan Andrew Yao, M. S.). Lab menyatukan siswa dari berbagai latar belakang untuk mengerjakan proyek ini (teknik mekanik/kimia/biomed).

Sedikit latar belakang proyek ini adalah bahwa kami mulai mencetak sel padi transgenik bekerja sama dengan Dr. Karen McDonald dari departemen ChemE dengan tujuan untuk mengembangkan bioprinter berbiaya rendah untuk membuat bioprinting lebih mudah diakses oleh lembaga penelitian. Saat ini, bioprinter kelas bawah berharga sekitar $10.000 sementara bioprinter kelas atas berharga sekitar $170, 000. Sebaliknya, printer kami dapat dibuat dengan biaya sekitar $375.

Perlengkapan

Bagian:

1. Ramps 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Driver motor stepper:
4. Motor stepper tambahan (opsional)
5. Balok pembuat 2 in X 1 in
6. Perangkat keras lampiran balok pembuat
7. Sekrup M3 berbagai macam ukuran
8. M3 kacang x2
9. Batang berulir 8 mm
10. mur 8 mm
11. 608 bantalan
12. klip pengikat
13. Filamen
14. Monoprice V2
15. ikatan zip
16. M3 heat set nut lebar 2mm

Peralatan:

1. Mata bor dengan berbagai ukuran
2. Bor tangan
3. Bor tekan
4. Gergaji besi
5. Besi solder + solder
6. penari telanjang kawat
7. Tang hidung jarum
8. Kunci hex berbagai ukuran

Perlengkapan laboratorium:

1. Cawan petri ~ diameter 70mm
2. Jarum suntik 60 ml dengan ujung pengunci Luer
3. Jarum suntik 10 ml dengan ujung pengunci Luer
4. Fitting kunci-luer
5. Tabung untuk alat kelengkapan
6. Konektor T untuk tabung
7. mesin sentrifugal
8. Tabung sentrifus 60ml
9. Skala
10. Kapal timbang
11. Autoklaf
12. gelas kimia
13. silinder lulus
14. larutan CaCl2 0,1M
15. Agarosa
16. Alginat
17. Metilselulosa
18. Sukrosa

Perangkat lunak:

1. Fusion 360 atau Solidworks
2. Arduino IDE
3. Tuan Rumah Pengulangan
4. Ultimaker Cura 4

Langkah 1: Memilih Printer 3D

Kami memilih Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 sebagai printer 3D awal. Printer ini dipilih karena harganya yang murah dan ketersediaannya yang tinggi. Selain itu, model printer 3D yang sangat akurat telah tersedia yang membuat desain lebih mudah. Instruksi ini akan disesuaikan untuk printer khusus ini tetapi proses serupa dapat digunakan untuk mengonversi printer FDM umum dan mesin CNC lainnya.

Model akurasi tinggi:

Langkah 2: Pencetakan 3D

Sebelum membongkar printer Monoprice, beberapa bagian perlu dicetak 3D untuk modifikasi printer 3D. Ada versi ekstruder pasta, yang membutuhkan epoksi dan yang tidak. Yang membutuhkan epoksi lebih kompak tetapi lebih sulit untuk dirakit.

Langkah 3: Siapkan Printer untuk Modifikasi

Panel menara depan, penutup bawah dan panel kontrol harus dilepas. Setelah bagian bawah dilepas, lepaskan semua elektronik dari papan kontrol dan lepaskan papan kontrol.

Langkah 4: Mount yang Dapat Dipertukarkan

Tubuh 1 dan Tubuh 14 masing-masing membutuhkan dua mur pengatur panas. Badan 1 dipasang ke rangka printer dengan dua baut M3 yang tersembunyi di bawah sabuk. Baut dapat dibuka dengan melepas penegang sabuk dan menarik sabuk ke satu sisi.

Langkah 5: Saklar Sumbu Z

Sakelar sumbu Z diposisikan ulang sehingga jarum panjang apa pun dapat digunakan selama urutan homing tanpa kompensasi dalam perangkat lunak. Sakelar harus dipasang dengan 2 sekrup M3 ke sasis printer langsung di bawah kepala cetak sedekat mungkin dengan alas cetak.

Langkah 6: Pengkabelan

Pengkabelan dilakukan sesuai dengan standar Ramps 1.4. Cukup ikuti diagram pengkabelan. Potong dan timah kabel sesuai kebutuhan untuk blok terminal. Beberapa kabel mungkin perlu diperpanjang.

Langkah 7: Pengekstrusi Epoxy

Sementara ekstruder ini membutuhkan waktu lebih sedikit untuk mencetak, ia menggunakan epoksi yang meningkatkan total waktu pembuatan hingga lebih dari 24 jam. Batang berulir 8mm harus diepoksi ke bantalan 608 dan bantalan harus diepoksi ke bodi 21 yang dicetak 3D. Selain itu, mur untuk batang berulir harus diepoksi ke Bodi 40. Setelah epoksi mengeras sepenuhnya, karet tips dari plunger jarum suntik 60ml dan 10 ml dapat dipasang di atas Body 9 dan Body 21, masing-masing. Sebuah pas T yang sesuai tidak dapat ditemukan sehingga yang mentah dibuat dari pipa kuningan 6mm dan solder. Extruder bertindak sebagai sistem hidrolik yang mendorong Bioink keluar dari ruang bawah jarum suntik 10 ml. Udara dapat dievakuasi keluar dari sistem dengan menggoyangkan tabung dengan kuat sambil menahan fitting T pada titik tertinggi.

Langkah 8: Extruder Tempel Biasa

Extruder ini dapat dengan mudah dibaut bersama-sama. Kelemahan dari extruder ini adalah bahwa itu lebih besar dan memiliki reaksi yang tinggi.

Langkah 9: Langkah 9: Firmware Arduino

Arduino membutuhkan firmware untuk menjalankan driver stepper dan elektronik lainnya. Kami memilih Marlin karena gratis, mudah dimodifikasi dengan Arduino IDE dan didukung dengan baik. Kami telah memodifikasi firmware untuk perangkat keras khusus kami tetapi cukup mudah untuk dimodifikasi untuk printer lain karena semua kode dikomentari dan dijelaskan dengan jelas. Klik dua kali file MonopriceV2BioprinterFirmware.ino untuk membuka file konfigurasi marlin.

Langkah 10: Profil Cura

Profil Cura dapat diimpor ke Ultimaker Cura 4.0.0 dan digunakan untuk membuat mesh dengan luas permukaan tinggi untuk digunakan dalam reaktor profusi. Pembuatan Gcode untuk printer masih sangat eksperimental dan membutuhkan banyak kesabaran. Juga terlampir adalah gcode uji untuk reaktor limpahan melingkar.

Langkah 11: Mengubah Mulai G-code

Rekatkan kode ini ke pengaturan kode G awal:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Di Repetier, untuk mengubah start Gcode, buka slicer->Configuration->G-codes->start G-codes. Diperlukan untuk mengubah nilai G92 Z untuk setiap kasus tertentu. Tingkatkan nilai secara perlahan hingga jarum mencapai jarak yang diinginkan dari permukaan cawan Petri pada awal pencetakan.

Langkah 12: Membuat Bioink

Proses untuk mengembangkan Bioink yang cocok untuk suatu aplikasi cukup rumit. Ini adalah proses yang kami ikuti:

Ringkasan

Hidrogel cocok untuk sel tanaman yang peka terhadap geser dan memiliki pori makro terbuka untuk memungkinkan difusi. Hidrogel dibuat dengan melarutkan agarosa, alginat, metilselulosa, dan sukrosa dalam air deionisasi dan menambahkan sel. Gelnya kental sampai diawetkan dengan kalsium klorida 0,1M, yang membuatnya kokoh. Larutan pengawet kalsium klorida berikatan silang dengan alginat untuk membuatnya kokoh. Alginat adalah dasar gel, metilselulosa menghomogenkan gel, dan agarosa memberikan lebih banyak struktur karena gel pada suhu kamar. Sukrosa menyediakan makanan bagi sel untuk terus tumbuh di hidrogel.

Tinjauan singkat dari beberapa percobaan untuk memverifikasi gel

Kami menguji berbagai hidrogel dengan jumlah agarosa yang bervariasi dan mencatat konsistensinya, seberapa mudahnya dicetak, dan apakah ia tenggelam atau mengapung dalam larutan pengawet. Penurunan persentase alginat membuat gel terlalu cair dan tidak mampu mempertahankan bentuknya setelah dicetak. Peningkatan persentase alginat membuat curing solution bekerja sangat cepat, sehingga gel akan mengeras sebelum menempel pada lapisan atas. Hidrogel yang mempertahankan bentuknya dan tidak mengering terlalu cepat dikembangkan menggunakan 2,8% berat alginat.

Bagaimana mengembangkan hidrogel?

Bahan:

Agarosa (0,9% berat)

Alginat (2,8 % berat)

Metilselulosa (3,0% berat)

Sukrosa (3,0% berat)

Kalsium Klorida.1M (147.001 g/mol)

ddH20

agregat sel

2 Gelas Gelas yang Dicuci & Kering

1 Spatula Pencampur

Alumunium foil

Kertas Timbang Plastik

silinder lulus

Prosedur

Membuat Hidrogel:

1. Ukur jumlah ddH20 tertentu berdasarkan berapa banyak larutan gel yang ingin Anda siapkan. Gunakan gelas ukur untuk mendapatkan volume ddH20 tertentu.
2. Larutan hidrogel akan mengandung Alginat (2,8 wt %)), Agarose (0,9 wt %), sukrosa (3 wt%), dan metilselulosa (3 wt%). Bagian yang tepat dari komponen larutan hidrogel akan diukur menggunakan kertas timbang plastik.
3. Setelah selesai menimbang semua komponen, tambahkan ddh20, sukrosa, agarosa, dan terakhir natrium alginat ke salah satu gelas kimia kering. Aduk untuk mengaduk tapi jangan gunakan spatula untuk mengaduk karena bedak akan menempel pada spatula.
4. Setelah tercampur, bungkus bagian atas gelas kimia dengan aluminium foil dengan benar dan beri label pada gelas kimia. Tambahkan selembar pita autoklaf ke bagian atas kertas timah.
5. Masukkan sisa metilselulosa ke dalam gelas kimia kering lainnya dan bungkus dengan aluminium foil seperti gelas kimia sebelumnya. Beri label pada gelas kimia ini dan tambahkan selotip autoklaf ke bagian atas kertas timah.
6. Bungkus 1 spatula dalam aluminium foil dan pastikan tidak ada yang terbuka. Tambahkan selotip autoklaf ke spatula yang dibungkus.
7. Autoklaf 2 gelas kimia dan 1 spatula pada 121 C selama 20 menit selama siklus sterilisasi. JANGAN GUNAKAN AUTOCLAVE DALAM SIKLUS STERIL & KERING.
8. Setelah siklus autoklaf selesai, biarkan gel mendingin hingga suhu kamar dan setelah mencapainya, mulailah beroperasi di Kabinet Keamanan Biologis.
9. Pastikan untuk mencuci tangan dan lengan Anda dan menggunakan teknik aseptik yang tepat setelah beroperasi di kabinet biosafety. PASTIKAN juga untuk tidak bersentuhan langsung dengan benda yang akan menyentuh gel atau dekat dengan gel (mis: ujung pengaduk spatula, atau bagian aluminium foil yang berada di atas gel)
10. Dalam kabinet biosafety, campur metilselulosa ke dalam gel untuk mendapatkan penyebaran yang homogen. Setelah selesai pencampuran, bungkus kembali bagian atas larutan gel campuran dan tempatkan di lemari es semalaman.
11. Dari sini gel dapat digunakan untuk pengenalan sel atau untuk kegunaan lain seperti pencetakan.

Menambahkan Sel:

1. Filter sel sehingga ukurannya sama. Prosedur kami untuk memfilter adalah

   Gosok sedikit sel dari cawan petri dan gunakan saringan 380 mikrometer untuk menyaring sel.

2. Campurkan sel-sel yang telah disaring ke dalam larutan hidrogel dengan hati-hati menggunakan spatula kepala datar untuk menghindari hilangnya campuran (yang telah diautoklaf).
3. Setelah mencampur sel, sentrifus keluar gelembung
4. Dari sini hidrogel selesai dan dapat digunakan untuk pencetakan, pengawetan, dan eksperimen selanjutnya.

Bagaimana mengembangkan larutan pengawet (0,1M Kalsium klorida, CaCl2)

Bahan:

Kalsium klorida

ddH20

Sukrosa (3% berat)

Prosedur (untuk membuat larutan pengawet 1L)

1. Ukur 147.01g kalsium klorida, 30mL sukrosa, dan 1L ddH20.
2. Campur kalsium klorida, sukrosa, dan ddH20 dalam gelas atau wadah besar.
3. Rendam gel dalam larutan pengawet setidaknya selama 10 menit untuk menyembuhkan.

Langkah 13: Cetak

Secara teori, Bioprinting sangat sederhana; namun, dalam praktiknya, ada banyak faktor yang dapat menyebabkan kegagalan. Dengan gel ini, kami menemukan bahwa beberapa hal dapat dilakukan untuk memaksimalkan keberhasilan aplikasi kami:

1. Gunakan sejumlah kecil larutan CaCl2 untuk menyembuhkan sebagian gel saat mencetak,
2. Gunakan handuk kertas di bagian bawah cawan petri untuk meningkatkan daya rekat
3. Gunakan handuk kertas untuk menyebarkan sejumlah kecil CaCl2 secara merata ke seluruh cetakan
4. gunakan penggeser laju aliran di Pengulangan untuk menemukan laju aliran yang benar

Untuk aplikasi yang berbeda dan gel yang berbeda, teknik yang berbeda mungkin perlu digunakan. Prosedur kami dibuat selama beberapa bulan. Kesabaran adalah kuncinya.

Semoga berhasil jika Anda mencoba proyek ini dan jangan ragu untuk mengajukan pertanyaan.

Hadiah Pertama dalam Kontes Arduino 2019