Mikrocentrifuga Biomedicínské zařízení s otevřeným zdrojem: 11 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Jedná se o pokračující projekt, který bude aktualizován s podporou komunity a dalším výzkumem a instrukcemi

Cílem tohoto projektu je vytvořit modulární laboratorní vybavení s otevřeným zdrojovým kódem, které se snadno přepravuje a které je postaveno z levně dostupných částí, aby pomohlo při diagnostice nemocí ve vzdálených a málo infrastrukturních oblastech

Půjde o pokračující projekt s otevřenými zdroji s posláním poskytnout modulární platformu pro zdravotnická zařízení, kterou lze snadno upravit a rozšířit za nízké náklady

Počáteční návrhy budou pro modulární baterii a sadu stejnosměrných motorů a mikrocentrifugu

Bude hledat pomoc online komunity s otevřeným zdrojovým kódem, která jí pomůže s podporou, úpravami a dalšími návrhy, aby se zaměřila na individuální specifické potřeby zdravotnických pracovníků ve vzdálených a venkovských lokalitách

UPOZORNĚNÍ: Projekt stále prochází testováním designu a funkčnosti a zatím není vhodný pro ŽÁDNOU diagnostickou nebo klinickou aplikaci. Elektroniku a motory montujte a používejte na vlastní nebezpečí čtenářů

Krok 1: Prohlášení o problému a návrhu

Problémové prohlášení:

Nedostatek přístupu k laboratornímu a klinickému vybavení, které by pomohlo při diagnostice a léčbě nemocí, vede k úmrtí mnoha lidí, kterým lze předcházet, v odlehlých a málo infrastrukturních oblastech. Konkrétně nedostatek přístupu k základním spolehlivým odstředivkám zbavuje zdravotnické pracovníky zásadního nástroje v boji proti krevně přenosným patogenům, jako je AIDS a malárie.

Prohlášení o návrhu: Navrhnout mikrocentrifugu a modulární baterii a stejnosměrný motorový balíček, které pomohou při diagnostice a léčbě nemocí způsobených krevními patologiemi (patogeny a parazity). S využitím aditivních výrobních technik, je-li to životaschopné, se tento design snaží zlepšit přenositelnost a snížit ekonomické bariéry život zachraňujících technologií.

Krok 2: Odůvodnění návrhu:

Tato konstrukce je zaměřena na výrobu mikrocentrifugy vhodné pro náhradní použití ve venkovských oblastech pomocí stolního 3D tisku FDM, laserového řezání a hobby elektroniky. Doufáme, že při tom bude zařízení dostupné široké škále zdravotnických pracovníků s různým přístupem ke zdrojům.

Při návrhu rotoru odstředivky (součást konstrukce, která obsahuje zkumavky):

Požadovaná síla G pro separaci vzorků závisí na požadovaném typu vzorku, přičemž průměrné síly pro separaci krve na její složky se pohybují v rozmezí 1 000-2 000 g (thermofisher.com)

Výpočet otáček za minutu na RFC (síla G) lze vypočítat pomocí RCF = (ot / min) 2 × 1,118 × 10-5 × r, kde „r“je poloměr rotoru (bcf.technion.ac.il)

Krok 3: Aspekty návrhu

Aspekty aditivní výroby:

• Může dojít ke špatné adhezi vrstvy, což má za následek špatnou pevnost v tahu a poškození součásti

• Požadované vlastnosti, liší se v závislosti na materiálu. Některé nabízejí dobré boční napětí a pevnost v tlaku při nízké hmotnosti a ceně

• Při krájení G-kódu je třeba použít správné nastavení, aby bylo zajištěno dosažení požadovaných vlastností materiálu

• Životnost dílů vyrobených touto technikou je relativně nízká ve srovnání s těmi, které používají dražší techniky a materiály, jako je CNC frézování kovů.

• Termoplasty mají relativně nízkou přechodovou teplotu, proto je třeba udržovat nízkou provozní teplotu (<přibližně 80–90 stupňů Celsia) • 3D tištěné návrhy s otevřeným zdrojovým kódem umožní uživatelům upravit návrhy tak, aby vyhovovaly jejich potřebám a omezením

Další konstrukční omezení:

• Některé oblasti nemusí mít dostatečný přístup k napájení, možná budou muset být napájeny základním přenosným solárem, bateriemi atd.

• Problémem mohou být vibrace a vyvážení

• Musí být schopen produkovat vysoké otáčky po dobu až 15 minut nebo déle, což má za následek vysoké mechanické namáhání některých částí

• Uživatelé nemusí mít zkušenosti s používáním zařízení a budou vyžadovat podporu pro snížení technické bariéry

Krok 4: Počáteční/základní návrh modulu

Výše uvedený design nejlépe využívá prostor k zajištění adekvátního prostoru pro vnitřní elektronické součástky a zajišťuje dostatečně velký poloměr pro různé odstředivkové rotory a dimenzování trubek. Styl designu „snap together“byl zvolen tak, aby eliminoval potřebu podpůrného materiálu během výroby a umožnil snadný tisk, opravy a výrobu v aditivní i subtraktivní výrobě. Tisk menších jednotlivých částí navíc sníží dopad selhání/chyby tisku a umožní použití většího množství velikostí potištěných ploch.

Využitím výhody modulární konstrukce může být k zařízení připevněno mnoho různých typů odstředivých misek. Rychlé úpravy a výroba těchto dílů prostřednictvím aditivní výroby umožňuje změny vyráběné G-síly a zpracovávané velikosti/typu vzorku. To pomáhá získat výhodu oproti tradičním strojům a poskytuje inovativní přístup k navrhování strojů podle potřeb koncového uživatele. Zátěžové kontejnery navíc poskytují možnost přidat podporu a tlumit vibrace

Krok 5: Seznam dílů

3D tištěné části: Soubory budou nahrány do Githubu a věcí a aktualizovány co nejdříve.

• 1 x šroub vřetena
• 1 x matice rotoru
• 1 x matice víka
• 1 x hlavní víko
• 4 x Tělo rotoru
• 1 x rotor s pevným úhlem
• 4 x horní/dolní předřadník
• 2 x boční předřadník

Elektronika: (odkazy na produkty brzy)

Arduino Nano (8–10 $)

Konektorové dráty (<0,2 $)

Elektronický regulátor rychlosti ($ 8-10)

Bezkartáčový stejnosměrný motor 12V (15-25 $)

Potenciometr (0,1 $)

Dobíjecí baterie Li-po (15-25 $)

Krok 6: Tisk dílů:

Všechny díly jsou k dispozici na github zde: K dispozici také od thingsiverse zde:

3D tištěné díly: 1 x šroub vřetena

1 x matice rotoru

1 x víko matice

1 x hlavní víko

4 x Tělo rotoru

1 x rotor s pevným úhlem

4 x horní/dolní předřadník

2 x boční předřadník

Obecná nastavení konceptu od společnosti Cura nebo podobná ve vybraném softwaru kráječe jsou dobrým vodítkem pro tisk všech částí těla a zátěže.

Krok 7: Montáž: První krok

• Připravte si následující díly pro montáž podle obrázku:

  • Základna odstředivky
  • Plášť součásti
  • 4 x tělo rotoru
• Všechny části by měly těsně přiléhat k sobě a být zajištěny vhodnými lepidly

Krok 8: Montáž: Elektronické součásti

Připravte si na testování následující elektronické součástky:

• Stejnosměrný motor a ECS
• baterie
• Arduino Nano
• Prkénko
• Potenciometr
• Propojovací vodiče

Kódování a pokyny pro arduino najdete zde:

Článek od

Testovací motor běží hladce a reaguje na potenciometr. Pokud ano, nainstalujte elektroniku do skříně a vyzkoušejte, zda motor běží hladce a bez malých vibrací.

Obrázky přesného umístění budou brzy přidány.

Krok 9: Montáž: Připevnění rotoru a šroubu rozmetače

Shromážděte rotor, válečky, rozmetadlo a matice rozmetače.

Zajistěte, aby všechny části dobře seděly. Pokud je tvar příliš těsný, může pomoci broušení.

Zajistěte, aby měl rotor hladkou dráhu a nepřeskakoval nebo se příliš nehoupal. Plochou misku lze potisknout nebo vystřihnout z akrylátu, aby byla v případě potřeby zajištěna stabilita.

Jakmile části prošly broušením a osazením, připevněte vrtací šroub na vřeteno motoru a zajistěte rotor maticemi podle obrázku.

Rotor lze vyjmout pro vykládání a nakládání vzorků nebo pro změnu typů rotorů.

Krok 10: Montáž: Předřadník a víka

Shromážděte horní a boční zátěžové kontejnery, které budou fungovat jako podpora, vážení a tlumení vibrací.

Díly by měly zapadnout do sebe a při plnění zůstat na místě. V případě potřeby lze díly zajistit dohromady super lepidlem nebo podobným lepidlem.

Hlavní víko nad rotorem by při upevnění horní maticí rotoru mělo bezpečně sedět.

Díly by měly sedět, jak je znázorněno na obrázku.

Krok 11: Závěr

Zdravotničtí pracovníci na vzdáleném místě se potýkají s výzvou ekonomických a logistických bariér spojených se získáváním a údržbou životně důležitých zdravotnických a diagnostických zařízení a dílů. Nedostatek přístupu k základnímu vybavení, jako jsou odstředivky a čerpací systémy, může vést k fatálním čekacím dobám a chybné diagnostice.

Tento design splnil požadovaný výsledek tím, že ukázal, že je možné vytvořit zdravotnické zařízení s otevřeným zdrojovým kódem (mikrocentrifugu) za použití technik výroby stolních počítačů a základních elektronických součástek. Může být vyroben za jednu desetinu nákladů na komerčně dostupné stroje a lze jej snadno opravit nebo rozebrat na části, které mají být použity v jiných zařízeních, což snižuje ekonomické bariéry. Elektronické komponenty poskytují konstantní spolehlivý výkon po dobu potřebnou ke zpracování většiny běžných vzorků krve a poskytují lepší diagnostiku než ruční nebo výstupní jednotky v oblastech s nízkou infrastrukturou. Uskutečnitelnost tohoto návrhu má budoucí potenciál ve vývoji modulární platformy zdravotnických prostředků s otevřenými zdroji, využívající základní sadu komponent k pohonu různých zařízení, jako jsou peristaltická čerpadla, nebo jako v tomto provedení mikrocentrifugy. Se zřízením knihovny souborů s otevřenými zdroji by mohl být přístup k jediné tiskárně FDM použit k výrobě řady dílů, přičemž koncový uživatel vyžaduje jen málo znalostí o konstrukci. Tím by byly odstraněny logistické problémy spojené s přepravou základních komponent, což by šetřilo čas i životy.