DIYバイオプリンター

翻訳者から：このガイドは、即興の素材からバイオプリンターを作成するのに役立ちます（3Dバイオプリンターと混同しないでください!!!

バイオプリンティングは、生物材料の印刷です。 3D印刷と考えてください。ただし、圧縮された成分を使用してください。 多くの作業は、薬物をテストし、臓器を人に移植するために、人間の組織や臓器の印刷を扱うOrganovoなどの研究機関や大企業によって行われています。
これはすべて信じられないほど複雑に聞こえますが、基本的な技術は広く利用可能であるという事実です-これらはすべてインクジェットおよび/または3D印刷に基づいています！ そこで、 BioCuriousでこのテクノロジーを自分で使用することにしました。そしてBioPrinter Communityプロジェクトが誕生しました。

ステップ1：古いインクジェットプリンターの解析

古いインクジェットプリンター、この場合はHP 5150を使用しますが、ほとんどすべてのプリンターで使用できます。 単にすべてのプラスチックカバーをはがすことができますが、フロントパネルのリセットボタンがまだ機能していることを確認してください。
蓋が開いているかどうかを監視する小さな高速スイッチがあります。 カバーを取り外した後、このスイッチをオンの位置にロックする必要があります。 手で爪a枝を使用するか、プラスチックの小さな部分を接着することで、一般的にファンタジーをオンにします。

また、内部には高速用紙送り機構スイッチがあり、用紙がセットされているかどうかを判断します。 彼と同じことをする必要があります。
すべてが正しく行われていることを確認するには、数枚のシートを印刷します。 分解したプリンターがどのように印刷されるかを見るのは興味深いです。

次のタスクは、カートリッジを開いてインクをより有機的なものに置き換えることです。 ノズルがまだ詰まっていない新しいカートリッジを使用することをお勧めしますが、古いカートリッジを試すことができます。プリンターソフトウェアで許可されている場合は、使用前にヘッドクリーニングモードをオンにしてください。

すべてのステッカーを取り外した後、ほとんどのカートリッジには、インク漏れ時に空気を供給するための小さな通気孔が付いた接着カバーが付いていることがわかります。 カバーはナイフまたは特別なツールで取り外す必要がありますが、将来カートリッジをプリンターに再挿入する必要があることに注意してください。
カートリッジを開くとすぐに、インクを所定の位置に保持する小さなスポンジがタンク全体を占めていることがわかります。 カラーカートリッジには、スポンジ付きの個別のインクコンパートメントがあります（通常、赤、緑、青ではなく、シアン、マゼンタ、黄色、白い紙に色を印刷することは色を差し引くプロセスです）。 残りのインクを絞り出して、将来の実験（ペーパークロマトグラフィーなど）のために保存できます。 次に、カートリッジを蒸留水と脱イオン水で再度すすぎ、すすぎ、そしてすすぎ、プリントヘッドにミネラル残留物が詰まらないようにします。 どんなによく洗っても、すべてを洗えるとは思えないので、蒸留水のカートリッジで満たして何かを印刷してから、最小のインク粒子が出なくなるまで何度も繰り返します。
今、あなたは私たちのカートリッジを満たすために何かが必要です。 それはすべてあなたの想像力にかかっています。 単純なものから始めて、生きた細胞のプリントに飛び込むことはしないことにしました。 アラビノースの溶液を使用して、ろ紙に何かを印刷することにしました。
アラビノースの溶液をろ紙に印刷することにしました。 次に、それを切り取り、大腸菌からの成長したフィルムとともにアガロースプレートに置き、pGLOプラスミドの導入を引き起こしました。 このプラスミドには、アラビノ感受性加速器の制御下で緑色蛍光タンパク質（GFP）が含まれています。
その結果、濾紙にアラビノースを印刷したところ、大腸菌から放出される緑色の光が紫外線の下で見えました！ この実験の美しさはそのシンプルさにあることに注意してください（ 翻訳者のメモ：まあ、はい、まあ、はい...私たちはもっと面白いものを思いついたかもしれません ）：生きている細胞ではなく、単純な砂糖の溶液で印刷する必要がありました紙ですから、紙の技術を変える必要さえありません。 抗生物質や、酵素や成長因子などのタンパク質を使用して印刷することもできます。

最初の写真では、ページの半分をアラビノースで印刷しました（ 翻訳者のメモ：私は詳しく見て、色盲の人に同情する必要があります ）。

この写真では、眼球のロゴを印刷しました。 残念ながら、画像の鮮明さは貧弱です。

ステップ2：問題-既存のプリンターの解像度が高すぎる

顕微鏡下でインクジェットプリントヘッドを見るのに多くの時間を費やしました。 カートリッジの下部にある銀色の帯は、ノズルプレートと呼ばれます。 これらは単なるステンレステープです。 このカートリッジでは、ノズルは4列に並んでいますが、上の最初の画像では2列を確認できます。 ノズルには実際に1〜416の番号が付けられています。プリントヘッドの416ノズルは1200 dpiまで約1/3インチです。
現在、1インチあたり1/1200は21ミクロンの間隔を意味します。 さらに、ノズル自体の直径は実際には約23ミクロンです。 これは、真核細胞の大きさのオーダーです-痛い！ このプリントヘッドからはるかに小さな大腸菌細胞（直径約1μm）を印刷することができ、さらに酵母細胞（直径約10μm）も印刷できるはずです。
しかし、待ってください-それだけではありません！
ノズルの金属板を取り外すと、実際にはプリントヘッドの機能が得られます。これは、サーマルインクジェットプリンターでインクの一部を蒸発させるバルクの微視的ヒーターと組み込みの電子機器の両方を含むエンジニアリングシリコンの奇跡です。 高度な顕微鏡の素晴らしいターゲット！




最後の画像は私たちをもっと興奮させます。 インクタンクとプリントヘッドの間にシリコンに組み込まれたフィルターがあるようです！ 顕微鏡画像によると、フィルターの穴を評価します。サイズは約3ミクロンで、大腸菌細胞でも十分ではないかもしれません！

さらに、市販のプリンターを使用して、紙の移動経路全体を変更する必要があります。さらに、もちろんドライバーがLinuxに適合していない限り、既存のドライバーはプリントヘッドを制御するための限られたオプションを提供します。
そこで、独自の印刷プラットフォームを作成して、完全に制御できるようにします。

ステップ3：InkShieldプリントヘッドを使用する

そのため、最新世代のインクジェットプリンターを使用して酵母細胞以外のものを印刷することはできないようです。 また、このプリンタでは、酵母や大腸菌の細胞でさえインクジェットカートリッジで印刷することはできません。
もう1つの方法は、解像度300 dpiの古代HPプリンターと、おそらく約80ミクロン程度のサイズのノズルを使用することです。これは、人間の細胞を印刷するのに十分なはずです。 たとえば、90年代から私たちに届いたHP DeskJet 500。 この骨finding品を見つけて頑張ってください。

現在、Parallaxインクジェット開発キットとHP 51604Aカートリッジを使用すると、96 dpiで印刷できますが、問題は数年前に製造が中止されたことです。


幸いなことに、Nicholas LewisはDIYインクジェット印刷プラットフォームの必要性を認め、Inkshield： KickstarterでのArduinoキャンペーン用のオープンソースインクジェットシールドを開始しました 。 InkShieldは、ケーブルなどにラベルを印刷するように設計された12個のノズルと96 dpiのHP C6602インクカートリッジを中心に構築されています。 96 dpiは265ミクロンのステップに相当します。 最後の画像でわかるように、実際のノズルの直径は、ポイント間の距離の約1/3、つまり約85ミクロンであり、目的にぴったりです。

InkShieldはArduinoを制御するように設計されていますが、USBから受信する5V Arduinoよりも高い電圧が必要です。 したがって、InkShieldの専用電源コネクタまたはArduinoの電源コネクタを介して9〜12Vの電力を供給する必要があります。

ステップ4：バージョン2：Hackteriabot！

2番目のバイオプリンティングプラットフォームでは、Hackteriaの友人の美しいDIYレーザーカッター/マイクロフルイドプラットフォームに触発されて、古いCDドライブのペアからXYプラットフォームを構築しました。
hackteria.org/wiki/index.php/HackteriaLab_2011_Commons#Micro_Manipulator
hackteria.org/wiki/index.php/DIY_Micro_Dispensing_and_Bio_Printing
hackteria.org/wiki/index.php/DIY_Micro_Laser_Cutter
hackteria.org/wiki/index.php/DIY_Microfluidics#Advanced_DIY_Microfluidics
hackteria.org/?p=1186
diybio.org/2012/06/12/gaudilabalgaepicker

ヘッドをCD / DVDドライブに移動する移動機構を90度の角度で配置すると、非常に小さな構成面積で非常に高い位置決め精度を備えたXYプラットフォームが得られます。
CDドライブメカニズムのレーザーヘッドポジショニングを使用して高精度XYプラットフォームを構築することは、新しいアイデアではありません： builders.reprap.org/2010/08/selective-laser-sintering-part-8.html

ステップ5：使用済みイヤーCDドライブからXYプラットフォームを構築する

最初に、古いドライブのスタックを収集します。 ペーパークリップでトレイを開きます。 ステッピングモーターを見つける前に、いくつかのドライブを通過する必要がある場合があります。 解体した人の少なくとも半分はDCモーターを持っていました。 外観でそれらを区別する方法を誰かが知っている場合は、お知らせください。

これらはドライブを分解することで簡単に区別できます。DCには2本のワイヤーとステッパー4と短いケーブルがあります。

直流とは異なり、ステッピングモーターは一定数のステップを移動するように設計されており、各ステップは1回転の一部です。 これにより、ヘッドの位置をチェックするフィードバックシステムを必要とせずに、高精度の位置決めに便利です。 たとえば、3Dプリンターは通常、ステッピングモーターを使用してプリントヘッドを配置します。

いくつかのシリアル番号をオンラインで確認した後、PL15S-020とラベル付けされた十分に文書化されたバイポーラステッピングモーターに出会いました。 見つかった残りのエンジンは彼に非常に似ているため、おそらく同じパラメーターを持っています。

技術データ： robocup.idi.ntnu.no/wiki/images/c/c6/PL15S020.pdf

このステッピングモーターは1回転あたり20ステップ（多くはありませんが、十分）かかり、リードスクリューのピッチは1回転あたり3 mmです。 したがって、各ステップはレーザーヘッドを動かす150ミクロンに相当します-悪くありません！
Arduino.ccのWebサイトで、バイポーラステッピングモーター用の回路と、その制御用のサンプルコードを見つけました。 最後の写真に示されている回路を実装するために、いくつかのSN754410NE Hブリッジを注文しました。


古いCD / DVDドライブには、他にも多くの興味深いアクセサリーがあります！ 低速DCモーターを含む開閉機構のトレイを含むCDを回転させるスピンドルモーターには、通常、おもちゃの飛行機やヘリコプターで使用できる高性能ブラシレスDCモーターがあります。 さらに、多数のスイッチ、ポテンショメーター、気レーザー、さらにはソレノイドも！ 一般的に、すべてを削除します!!!

ステップ6：すべてをまとめる

材料：
-古いドライブからステッピングモーター（できれば同じ）でレーザーヘッドを移動するための2つのメカニズム。 費用：数ドルずつ。
-1つのInkShieldキット、カートリッジおよびカートリッジホルダー付き。 コスト：57ドル
-オプション：オプションのHP C6602インクカートリッジ。 コスト：17ドル
-Arduino Uno。 コスト：30ドル
-2つのSN754410NE Hブリッジモーター。 費用：5ドル
-Arduinoプロトタイピングキットおよび/または小さなブレッドボード。 コスト：4-21ドル
-ワイヤー、ネジ、ラック、ハウジング。 費用：想像に応じて、無料から$ $ $まで。


部品の配送と処理のコストを含め、総生産コストは約150ドルでした。 上の写真は2つの異なるモデルを示しています。 2番目のバージョンには、高品質のアクリルでできた上部プレートと大きな内部スペースがあります。







下にあるCDドライブを移動するメカニズムは、何かを印刷している青いプレート（たとえば、アガロースプレート）を移動します。 直角に取り付けられた上部駆動機構は、インクジェットプリントヘッドを動かします。 Shapelockといくつかのネジを使用して、下部プラットフォームをレーザーヘッドに取り付け、カートリッジホルダーを上部レーザーヘッドに取り付けました。 電子機器は、下部のArduino Uno、白いInkShield（インクジェットカートリッジホルダーに素敵な白いリボンケーブルで接続）、および上部のステッピングモーターを備えたプロトタイプから構成されています。




下部および上部プラットフォームの市松模様の紙からの紙片により、X軸とY軸に沿った位置を追跡できます。 総印刷領域は両方向で約1.5インチで、1ステップで150ミクロンの解像度です。 ステッピングモーターの解像度は、プリントヘッドの解像度に似ています：96 dpi 265ミクロンステップですが、プリントプリントヘッドのドットは、150〜200ミクロンのように明確に分離されています。

ステップ7：成功

これが私たちの最初の真に機能するバイオプリンターです。 E. coli + pGLO液体培養カートリッジを補充しました。 InkShieldに付属の「I <3 InkShield」DEMO Arduinoを軽く修正し、寒天プレートに「I <3 InkShield」の行を何度も印刷しました。 寒天は、印刷距離を最小にするためにほぼ最上部まで満たされた。
ご覧のとおり、大腸菌の生細胞印刷は非常に効果的です！ おそらくバクテリアのコロニーを必要以上に長く成長させたため、文字が少しぼやけています。 ケージの隅に小さなコロニーのスプレーがありました-おそらくインクジェットヘッドからのスプレーが原因です。 カートリッジに装填された培養細胞の粘度または密度を調整することにより、品質を改善できます。
しかし、全体としては初めてではありません！
印刷後、カートリッジの表面と内部を漂白剤で消毒し、少量の漂白剤をヘッドに通しました。 その後、すべてを蒸留水で洗浄しました。
最も手が届かない場所で有機物を破壊することができる超音波ジュエリークリーナーに投資することは、おそらく良い考えでしょう。

ステップ8：教訓と今後の計画

バイオプリンティング、ステッピングモーター、インクジェットカートリッジ、さらにArduinoプログラミングの経験がほとんどないこのプロジェクトに取り組みました！ したがって、もちろん、すべてのアクションが最適というわけではありません。 次回は別の方法でできることをいくつか示します。

-ステッピングモーターの動作を研究することで、非常に貴重な経験を積むことができましたが、3Dプリントコミュニティでこの目的のために正確に開発されたRAMPS（RepRap Arduino MEGA Pololu Shield）テクノロジーの一部を適応させることで、多くの時間と労力を節約できました。 特に、Pololuステッピングモーターには既にマイクロステッピング機能が組み込まれていました。

-独自のXYプラットフォームを構築するのは素晴らしいことです！ しかし、私たちはこれらのステッピングモーターを、決して意図されていない目的のために使用します。 プラスチック部品を磨く頻繁な手動放電のために、下段が時々欠落しているという問題がすでに発生しています。 新しいステッピングモーターを購入してそれらを保持し、エンドストップ用のマイクロスイッチをいくつか追加し、ソフトウェアに位置リセット機能コードを追加するのは簡単でした。

-新しいステッピングモーターとRAMPSエレクトロニクスの検索を開始するとすぐに疑問が生じます。代わりに3Dプリンターからすぐに始めてみませんか？ 現在のバージョンのバイオプリンターにうんざりしている場合は、おそらく選択した方向が原因です。 コストは桁違いに増加する可能性が高いため、...

-1つのプリントヘッドの存在には制限があります。 何らかの組織工学を本当にやりたいのであれば、いくつかのタイプの細胞を印刷できるようにしたいと思います。 2つのインクカートリッジを相互に挿入する可能性があります。 この分野のBig Boysソリューションは、シリンジポンプを使用することです。 プリンターの近くにいくつかのシリンジポンプがあり、それぞれが細いチューブを通して印刷材料を送り、針がプリントヘッドに取り付けられていることを想像してください。 お楽しみに...

今、象は中国の店にいます...あなたはあなた自身のバイオプリンターで何をしているのですか？！ BioCuriousは、人間の組織や臓器の印刷に関してOrganovoのような企業と競合することはないと思います。 一方では、動物細胞の内容はより多くの努力を必要とします。 植物細胞は非常に使いやすいです！ すべてを無駄にしたくないので、次回のチュートリアルにご期待ください！

一方、ここにいくつかのアイデアがあります：

-栄養素および/または抗生物質の勾配を細胞の層に印刷して、組み合わせ相互作用を研究します-または環境からのサンプルから異なる分離株を選択します。
-細胞分化を研究するために、真核細胞の層に成長因子のパターンを印刷します。
-代謝の相互作用を調べるために、互いに異なる距離にある2種類以上の微生物を印刷します。
-寒天プレート上の微生物の構築の2Dモデルとして計算タスクを設定します。
-反応拡散システムの研究
-レイヤーを再印刷して3D構造を印刷します。 これで、3Dですべてをより高くすることを検討できます！
-細胞をアルギン酸ナトリウムの溶液に印刷し、塩化カルシウムで飽和した表面にゲルの3D構造を作成します（分子ガストロノミーの球状化プロセスと同様）

-他のアイデアはありますか？ コメントに残してください！

ステップ9：追加：では、実際の科学のために何をしたいですか？

ここに示されているバイオプリンターは明らかに単なるプロトタイプです。 しかし、私たちはこれを学術研究所で使用することを非常に真剣に求めていたので、いくつかの推奨事項を次に示します。

-Clemson UniversityのDolphin Deanチームは、変更されたHP DeskJet 500を使用したバイオプリンティングに取り組んでいます。間違いなく、標準インクジェットプリンターを使用したTransient Cell Membrane Poresの作成に関するJoVEのビデオをご覧ください。 , , , , , 3D .

— , HP C6602 . , . …

— , , .

-電子機器をラップフィルムで包むか、ハウジングを構築して、乾燥した清潔な状態に保ちます。他のすべては、使用後に漂白剤で拭くことができます。

D'haeseleer、P.（2013年1月22日）。