Bioprinter à faible coût : 13 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

Nous sommes une équipe de recherche dirigée par un premier cycle à l'UC Davis. Nous faisons partie du groupe BioInnovation, qui opère dans le laboratoire de prototypage moléculaire et de bioinnovation TEAM (conseillers Dr Marc Facciotti et Andrew Yao, M. S.). Le laboratoire rassemble des étudiants d'horizons divers pour travailler sur ce projet (ingénierie mécanique/chimique/biomédicale).

Un peu d'arrière-plan sur ce projet est que nous avons commencé à imprimer des cellules de riz transgéniques en collaboration avec le Dr Karen McDonald du département ChemE dans le but de développer une bio-imprimante à faible coût pour rendre la bio-impression plus accessible aux instituts de recherche. Actuellement, les bio-imprimantes bas de gamme coûtent environ 10 000 $, tandis que les bio-imprimantes haut de gamme coûtent environ 170 000 $. En revanche, notre imprimante peut être construite pour environ 375 $.

Fournitures

Les pièces:

1. Rampes 1.4:
2. Arduino méga 2560:
3. Pilotes de moteurs pas à pas:
4. Moteur pas à pas supplémentaire (en option)
5. Faisceau de fabricant 2 en X 1 en
6. Matériel de fixation de poutre de fabricant
7. Vis M3 tailles assorties
8. Écrous M3 x2
9. tige filetée 8 mm
10. Écrou de 8 mm
11. 608 roulement
12. Clip de reliure
13. Filament
14. Monoprice V2
15. Liens zippés
16. Écrous chauffants M3 largeur 2 mm

Outils:

1. Forets de différentes tailles
2. Perceuse à main
3. Perceuse
4. Scie à métaux
5. Fer à souder + soudure
6. Pince à dénuder
7. Pince à bec effilé
8. Clés hexagonales de différentes tailles

Fournitures de laboratoire:

1. Boîtes de Pétri ~70mm de diamètre
2. Seringue de 60 ml avec embout Luer-lock
3. Seringue de 10 ml avec embout Luer-lock
4. Raccords Luer-lock
5. Tubes pour raccords
6. Connecteur en T pour tube
7. Centrifuger
8. Tubes à centrifuger 60ml
9. Escalader
10. Peser les bateaux
11. Autoclave
12. Béchers
13. Cylindre gradué
14. Solution de CaCl2 0,1M
15. Agarose
16. Alginate
17. Méthylcellulose
18. Saccharose

Logiciel:

1. Fusion 360 ou Solidworks
2. IDE Arduino
3. Hôte répétiteur
4. Ultimaker Cura 4

Étape 1: Sélection d'une imprimante 3D

Nous avons choisi la Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 comme imprimante 3D de départ. Cette imprimante a été sélectionnée en raison de son faible coût et de sa haute disponibilité. De plus, un modèle 3D très précis de l'imprimante était déjà disponible, ce qui facilitait la conception. Cette instructable sera adaptée pour cette imprimante spécifique, mais un processus similaire peut être utilisé pour convertir d'autres imprimantes FDM courantes et machines CNC.

Modèle de haute précision:

Étape 2: Impression 3D

Avant le démontage de l'imprimante Monoprice, plusieurs pièces doivent être imprimées en 3D pour la modification de l'imprimante 3D. Il existe des versions des extrudeuses de pâte, une qui nécessite de l'époxy et une qui n'en nécessite pas. Celui qui nécessite de l'époxy est plus compact mais plus difficile à assembler.

Étape 3: préparer l'imprimante pour la modification

Le panneau avant de la tour, le couvercle inférieur et le panneau de commande doivent être retirés. Une fois le fond retiré, déconnectez toute l'électronique de la carte de commande et retirez la carte de commande.

Étape 4: support interchangeable

Le corps 1 et le corps 14 nécessitent chacun deux écrous chauffants. Le corps 1 est monté sur le châssis de l'imprimante par les deux boulons M3 cachés sous la courroie. Les boulons peuvent être révélés en retirant le tendeur de courroie et en tirant la courroie d'un côté.

Étape 5: Commutateur d'axe Z

Le commutateur de l'axe Z est repositionné de sorte que n'importe quelle longueur d'aiguille puisse être utilisée pendant la séquence de référencement sans compensation dans le logiciel. Le commutateur doit être monté avec 2 vis M3 sur le châssis de l'imprimante directement sous la tête d'impression aussi près que possible du lit d'impression.

Étape 6: Câblage

Le câblage est réalisé conformément aux normes Ramps 1.4. Suivez simplement le schéma de câblage. Coupez et étamez les fils au besoin pour les borniers. Certains fils peuvent avoir besoin d'être rallongés.

Étape 7: Extrudeuse époxy

Bien que cette extrudeuse prenne moins de temps à imprimer, elle utilise de l'époxy, ce qui augmente le temps de construction total à plus de 24 heures. La tige filetée de 8 mm doit être époxy sur le roulement 608 et le roulement doit être époxy sur la pièce imprimée en 3D Body 21. De plus, l'écrou de la tige filetée doit être époxy sur le corps 40. Une fois l'époxyde complètement durci, le caoutchouc les embouts des pistons des seringues de 60 ml et 10 ml peuvent être installés sur le corps 9 et le corps 21, respectivement. Un raccord en T approprié n'a pas pu être trouvé, donc un brut a été fabriqué à partir de tubes en laiton de 6 mm et de soudure. L'extrudeuse agit comme un système hydraulique qui pousse la Bioink hors de la chambre inférieure de la seringue de 10 ml. L'air peut être évacué du système en secouant vigoureusement les tubes tout en maintenant le raccord en T au point le plus élevé.

Étape 8: Extrudeuse de pâte ordinaire

Cette extrudeuse peut simplement être boulonnée ensemble. L'inconvénient de cette extrudeuse est qu'elle est plus volumineuse et a un jeu élevé.

Étape 9: Étape 9: Micrologiciel Arduino

L'Arduino a besoin d'un micrologiciel pour exécuter les pilotes pas à pas et autres appareils électroniques. Nous avons choisi Marlin car il est gratuit, facilement modifiable avec Arduino IDE et bien pris en charge. Nous avons modifié le firmware pour notre matériel spécifique mais il est assez simple à modifier pour d'autres imprimantes car tout le code est commenté et clairement expliqué. Double-cliquez sur le fichier MonopriceV2BioprinterFirmware.ino pour ouvrir les fichiers de configuration de marlin.

Étape 10: Profil Cura

Le profil Cura peut être importé dans Ultimaker Cura 4.0.0 et utilisé pour créer des maillages de grande surface à utiliser dans un réacteur à profusion. La génération de Gcode pour l'imprimante est encore très expérimentale et demande beaucoup de patience. Un gcode de test pour un réacteur à profusion circulaire est également joint.

Étape 11: Modification du code G de démarrage

Collez ce code dans le paramètre de démarrage du G-code:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Dans Repetier, pour modifier le Gcode de démarrage allez dans slicer->Configuration->G-codes->start G-codes. Il est nécessaire de modifier la valeur G92 Z pour chaque cas particulier. Augmentez lentement la valeur jusqu'à ce que l'aiguille soit à la distance souhaitée de la surface de la boîte de Pétri au début de l'impression.

Étape 12: Faire le Bioink

Le processus de développement d'une Bioink adaptée à une application est complexe. Voici le processus que nous avons suivi:

Sommaire

L'hydrogel convient aux cellules végétales sensibles au cisaillement et possède des macropores ouverts pour permettre la diffusion. L'hydrogel est fabriqué en dissolvant de l'agarose, de l'alginate, de la méthylcellulose et du saccharose dans de l'eau déminéralisée et en ajoutant des cellules. Le gel est visqueux jusqu'à ce qu'il soit durci avec du chlorure de calcium 0,1 M, ce qui le rend solide. La solution de durcissement au chlorure de calcium se réticule avec l'alginate pour la rendre solide. L'alginate est la base du gel, la méthylcellulose homogénéise le gel, et l'agarose apporte plus de structure puisqu'il gélifie à température ambiante. Le saccharose fournit de la nourriture aux cellules pour continuer à se développer dans l'hydrogel.

Un bref aperçu de certaines des expériences pour vérifier le gel

Nous avons testé différents hydrogels avec différentes quantités d'agarose et enregistré sa consistance, la facilité avec laquelle il s'imprimait et s'il coulait ou flottait dans la solution de durcissement. La diminution du pourcentage d'alginate a rendu le gel trop liquide et il n'a pas pu conserver sa forme après l'impression. L'augmentation du pourcentage d'alginate a rendu la solution de durcissement si rapide que le gel durcissait avant de coller à la couche supérieure. Un hydrogel qui conserve sa forme et ne durcit pas trop rapidement a été développé en utilisant 2,8% en poids d'alginate.

Comment développer un hydrogel

Matériaux

Agarose (0,9 % en poids)

Alginate (2,8 % en poids)

Méthylcellulose (3,0% en poids)

Saccharose (3,0% en poids)

Chlorure de calcium.1M (147.001 g/mol)

jjH20

agrégats cellulaires

2 béchers lavés et séchés

1 spatule de mélange

Feuille d'aluminium

Papier de pesée en plastique

Cylindre Gradué

Procédure

Fabrication de l'hydrogel:

1. Mesurez une quantité spécifique de ddH20 en fonction de la quantité de solution de gel que vous souhaitez préparer. Utilisez le cylindre gradué pour obtenir un volume spécifique de ddH20.
2. La solution d'hydrogel contiendra de l'alginate (2,8 % en poids), de l'agarose (0,9 % en poids), du saccharose (3 %) et de la méthylcellulose (3 %). Les portions appropriées des composants de la solution d'hydrogel seront mesurées à l'aide du papier de pesée en plastique.
3. Lorsque vous avez terminé de peser tous les composants, ajoutez du ddh20, du saccharose, de l'agarose et enfin de l'alginate de sodium dans l'un des béchers secs. Agiter pour mélanger mais ne pas utiliser de spatule pour mélanger car la poudre collera à la spatule.
4. Une fois mélangé, enveloppez correctement le haut du bécher avec du papier aluminium et étiquetez le bécher. Ajoutez un morceau de ruban autoclave sur le dessus de la feuille.
5. Mettez le reste de méthylcellulose dans l'autre bécher sec et enveloppez-le dans du papier aluminium comme le bécher précédent. Étiquetez ce bécher et ajoutez un morceau de ruban autoclave sur le dessus de la feuille.
6. Enveloppez 1 spatule dans du papier d'aluminium et assurez-vous qu'elle n'est pas exposée. Ajouter du ruban autoclave à la spatule enveloppée.
7. Autoclaver les 2 béchers et 1 spatule à 121 C pendant 20 minutes pendant le cycle de stérilisation. NE PAS UTILISER L'AUTOCLAVE DANS UN CYCLE STÉRILE ET SEC.
8. Une fois le cycle d'autoclavage terminé, laisser le gel refroidir à température ambiante et une fois qu'il l'a atteint, commencer à fonctionner dans l'enceinte de sécurité biologique.
9. Assurez-vous de vous laver les mains et les bras et d'utiliser une technique aseptique appropriée une fois que vous travaillez dans l'enceinte de biosécurité. ASSUREZ-VOUS également de ne pas entrer en contact direct avec des objets qui toucheront le gel ou seront proches du gel (ex: l'extrémité de mélange de la spatule, ou la zone des feuilles d'aluminium qui repose sur le gel)
10. Dans l'enceinte de biosécurité, mélanger la méthylcellulose dans le gel pour obtenir un étalement homogène. Une fois le mélange terminé, remballez la solution de gel mélangée et placez-la au réfrigérateur pendant la nuit.
11. De là, le gel peut être utilisé pour l'introduction des cellules ou pour d'autres utilisations comme l'impression.

Ajout des cellules:

1. Filtrez les cellules pour qu'elles aient la même taille. Notre procédure de filtrage est

   Grattez légèrement les cellules de la boîte de Pétri et utilisez un tamis de 380 micromètres pour filtrer les cellules.

2. Mélanger doucement les cellules filtrées dans la solution d'hydrogel à l'aide d'une spatule à tête plate pour éviter la perte du mélange (qui ont été autoclavés).
3. Après avoir mélangé les cellules, centrifuger les bulles
4. À partir de là, l'hydrogel est terminé et peut être utilisé pour l'impression, le durcissement et les expériences futures.

Comment développer la solution de durcissement (chlorure de calcium 0,1M, CaCl2)

Matériaux

Chlorure de calcium

jjH20

Saccharose (3 % en poids)

Procédure (pour faire 1L de solution de durcissement)

1. Mesurez 147,01 g de chlorure de calcium, 30 ml de saccharose et 1 l de ddH20.
2. Mélanger le chlorure de calcium, le saccharose et le ddH20 dans un grand bécher ou un récipient.
3. Immerger le gel dans la solution de durcissement pendant au moins 10 minutes pour durcir.

Étape 13: Imprimez

En théorie, la bioimpression est extrêmement simple; cependant, dans la pratique, de nombreux facteurs peuvent provoquer des défaillances. Avec ce gel, nous avons constaté que plusieurs choses peuvent être faites pour maximiser le succès de notre application:

1. Utilisez de petites quantités de solution de CaCl2 pour durcir partiellement le gel pendant l'impression,
2. Utilisez une serviette en papier au fond de la boîte de Pétri pour augmenter l'adhérence
3. Utilisez une serviette en papier pour répartir uniformément de petites quantités de CaCl2 sur toute l'impression
4. utilisez le curseur de débit dans Repetier pour trouver le bon débit

Pour différentes applications et différents gels, différentes techniques peuvent être nécessaires. Notre procédure a été générée sur plusieurs mois. La patience est la clé.

Bonne chance si vous tentez ce projet et n'hésitez pas à poser des questions.

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