Mikrocentrifug Biomedicinsk enhet med öppen källkod: 11 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:41

Detta är ett pågående projekt som kommer att uppdateras med samhällsstöd och ytterligare forskning och instruktioner

Syftet med detta projekt är att skapa öppen, modulär laboratorieutrustning som är lätt att transportera och byggd av billigt köpta delar för att hjälpa till att diagnostisera sjukdomar i avlägsna och låga infrastrukturområden

Detta kommer att vara ett pågående projekt med öppen källkod med uppdraget att tillhandahålla en modulplattform för medicintekniska produkter, som enkelt kan modifieras och byggas ut till låg kostnad

De första designerna kommer att vara för ett modulbatteri och likströmsmotorpaket och mikrocentrifug

Det kommer att söka hjälp från online-öppen källkod för att hjälpa till med stöd, modifiering och ytterligare konstruktioner för att rikta in sig på de individuella specifika behoven hos vårdpersonal i avlägsna och landsbygdsområden

DISCLAIMER: Projektet genomgår fortfarande design- och funktionalitetstestning och är ännu inte lämpligt för någon diagnostisk eller klinisk tillämpning. Elektronik och motorer ska monteras och användas på läsarens egen risk

Steg 1: Problem- och designuttalanden

Problemmeddelande:

Bristen på tillgång till laboratorie- och klinisk utrustning för att hjälpa till med diagnos och behandling av sjukdomar leder till att många kan dödas i avlägsna och låga infrastrukturområden. Speciellt avsaknaden av tillgång till grundläggande tillförlitliga centrifuger gör att sjukvårdspersonal avlägsnar ett viktigt verktyg i kampen mot blodburna patogener som AIDS och malaria.

Designuttalande: Att designa en mikrocentrifug och modulbatteri och DC-motorpaket för att hjälpa till med diagnos och behandling av sjukdomar orsakade av blodburna patologier (patogener och parasiter). Med hjälp av additiva tillverkningstekniker där det är möjligt, försöker denna design förbättra bärbarheten och sänka ekonomiska hinder för livräddande teknik.

Steg 2: Design Motivering:

Denna design syftar till att producera en mikrocentrifug lämplig för ersättningsanvändning på landsbygden genom att använda FDM 3D -utskrift på skrivbord, laserskärning och elektronik i hobbyklass. Genom att göra detta hoppas man att enheten kommer att vara tillgänglig för en mängd olika vårdpersonal med varierande tillgång till resurser.

Vid utformning av centrifugrotorn (en del av konstruktionen som rymmer provrör):

Den erforderliga G-kraften för separering av prover är beroende av den önskade provtypen, med genomsnittliga krafter för att separera blod i dess beståndsdelar i intervallet 1 000-2 000 g (thermofisher.com)

Beräkningen av RPM till RFC (G-kraft) kan beräknas med RCF = (rpm) 2 × 1.118 × 10-5 × r, där 'r' är rotorns radie (bcf.technion.ac.il)

Steg 3: Designhänsyn

Överväganden för additiv tillverkning:

• Dålig vidhäftning kan uppstå, vilket kan leda till dålig draghållfasthet och skador på delar

• Egenskaper som krävs, varierar beroende på material. Vissa erbjuder bra lateral belastning och tryckhållfasthet till en låg vikt och kostnad

• Korrekta inställningar under uppdelningen av G-koden måste tillämpas för att säkerställa att de önskade materialegenskaperna uppnås

• Livslängden på delar som tillverkas med denna teknik är relativt låg jämfört med dem som använder dyrare tekniker och material som CNC -fräsmetaller.

• Termoplaster har en relativt låg övergångstemperatur, så en låg driftstemperatur måste upprätthållas (<ca 80-90 celcius) • 3D-tryckta mönster med öppen källkod gör det möjligt för användare att ändra mönster som passar deras behov och begränsningar

Ytterligare designbegränsningar:

• Vissa områden kanske inte har tillräcklig tillgång till ström, kan behöva drivas med bärbar basenhet, batterier etc.

• Vibration och balans kan vara ett problem

• Måste mata ut högt varvtal i perioder på upp till 15 minuter eller mer, vilket resulterar i hög mekanisk belastning på vissa delar

• Användare kanske inte har erfarenhet av användning av utrustning och kommer att behöva stöd för att sänka den tekniska barriären

Steg 4: Initial/basmoduldesign

Ovanstående design utnyttjar utrymmet bäst för att ge tillräckligt med utrymme för interna elektroniska komponenter och säkerställer en tillräckligt stor radie för olika centrifugrotorer och rörstorlekar. Designen "snäpp ihop" har valts för att eliminera behovet av stödmaterial under produktionen och för att möjliggöra enkel utskrift, reparation och tillverkning i både additiv och subtraktiv tillverkning. Dessutom kommer utskrift av mindre enskilda delar att minska påverkan av utskriftsfel/fel, och möjliggöra att en större variation av tryckbäddsstorlekar kan användas.

Genom att dra fördel av en modulär design kan många olika typer av centrifugalskålar fästas på enheten. Snabba modifieringar och produktion av dessa delar genom additiv tillverkning möjliggör ändringar av tillverkad G-kraft och bearbetning av provstorlek/typ. Detta bidrar till att ge det en fördel jämfört med traditionella maskiner och ger ett innovativt tillvägagångssätt för att designa maskiner utifrån en slutanvändares behov. Dessutom ger ballastbehållarna en chans att lägga till stöd och dämpa vibrationer

Steg 5: Dellista

3D -tryckta delar: Filer laddas upp till Github och thingiverse och uppdateras snarast.

• 1 x spindelskruv
• 1 x rotormutter
• 1 x lockmutter
• 1 x huvudlock
• 4 x rotorkropp
• 1 x fast vinkelrotor
• 4 x topp/botten ballast
• 2 x Sidoballast

Elektronik: (Länkar till produkter snart)

Arduino Nano ($ 8-10)

Anslutningskablar (<$ 0,2)

Elektronisk hastighetsregulator ($ 8-10)

Borstlös likströmsmotor 12V ($ 15-25)

Potentiometer ($ 0,1)

Li-po uppladdningsbart batteri ($ 15-25)

Steg 6: Utskrift av delar:

Alla delar är tillgängliga från github här: Finns även från thingiverse här:

3D -tryckta delar: 1 x spindelskruv

1 x rotormutter

1 x lockmutter

1 x huvudlock

4 x rotorkropp

1 x fast vinkelrotor

4 x topp/botten ballast

2 x Sidoballast

De allmänna utkastsinställningarna från Cura, eller liknande i utvalda skärmjukvara, är en bra riktlinje för utskrift av alla kropps- och ballastdelar.

Steg 7: Montering: Första steget

• Förbered följande delar för montering enligt bilden:

  • Centrifugbas
  • Komponenthölje
  • 4 x rotorkropp
• Alla delar ska passa tätt ihop och säkras med lämpliga lim

Steg 8: Montering: Elektroniska komponenter

Förbered följande elektroniska komponenter för testning:

• Likströmsmotor och ECS
• Batteri
• Arduino Nano
• Bakbord
• Potentiometer
• Bygelkablar

Kodning och instruktion för arduino hittar du här:

Artikel av

Testmotorn går smidigt och reagerar på potentiometern. Om det är det, installera sedan elektroniken i höljet och testa att motorn går smidigt och med lite vibrationer.

Bilder på exakt placering kommer att läggas till snart.

Steg 9: Montering: Montering av rotor och snurrskruv

Samla rotor, rullar, spinnare och spinnmuttrar.

Se till att alla delar har en bra passform. Slipning kan hjälpa om passformen är för tight.

Se till att rotorn har en jämn väg och att den inte hoppar över eller vinglar överdrivet. Ett plant fat kan skrivas ut eller klippas av akryl för att underlätta stabilitet vid behov.

När delar har genomgått slipning och montering, fäst spinnerskruven på motorspindeln och säkra rotorn med muttrarna som visas.

Rotor kan tas bort för lossning och lastning av prover, eller för byte av rotortyper.

Steg 10: Montering: Ballast och lock

Samla ballastbehållare upptill och på sidan, dessa kommer att fungera som stöd, viktning och vibrationsdämpning.

Delarna ska fästas ihop och förbli på plats när de är fyllda. Vid behov kan delar säkras tillsammans med superlim eller liknande lim.

Huvudlocket över rotorn ska sitta ordentligt när det fästs med den övre rotormuttern.

Delarna ska passa som på bilden.

Steg 11: Slutsats

Vårdpersonal på distans står inför utmaningen med ekonomiska och logistiska hinder i samband med att skaffa och underhålla viktiga medicinska och diagnostiska enheter och delar. Brist på tillgång till grundutrustning som centrifuger och pumpsystem kan leda till dödliga väntetider och felaktig diagnos.

Denna design har uppnått önskat resultat genom att visa att det är möjligt att skapa en öppen medicinsk utrustning (en mikrocentrifug), med användning av stationära tillverkningstekniker och grundläggande elektroniska komponenter. Det kan produceras till en tiondel av kostnaden för kommersiellt tillgängliga maskiner och enkelt repareras eller demonteras för att delar ska användas i andra enheter, vilket minskar ekonomiska hinder. De elektroniska komponenterna ger konstant tillförlitlig effekt under den tid som krävs för att bearbeta de vanligaste blodproven, vilket ger bättre diagnostik än handdrivna eller utloppsenheter i områden med låg infrastruktur. Genomförbarheten av denna design har framtida potential i utvecklingen av en modulär öppen plattform för medicinsk utrustning, med hjälp av en kärnkomponent av komponenter för att driva olika utrustningar såsom peristaltiska pumpar, eller som i denna design, mikrocentrifuger. Med etableringen av ett bibliotek med öppna filer kan åtkomst till en enda FDM -skrivare användas för att producera en rad delar, med liten kunskap om design som krävs av slutanvändaren. Detta skulle eliminera de logistiska problemen i samband med frakt av grundkomponenter, vilket sparar tid och liv.