Dispositiu biomèdic de font oberta de microcentrifuga: 11 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Es tracta d’un projecte en curs que s’actualitzarà amb el suport de la comunitat i més investigació i instrucció

L'objectiu d'aquest projecte és crear equips de laboratori modulars de font oberta que siguin fàcils de transportar i que es construeixin a partir de peces de baix cost per ajudar al diagnòstic de malalties en zones remotes i amb infraestructures baixes

Aquest serà un projecte de codi obert en curs amb la missió de proporcionar una plataforma modular per a dispositius mèdics, que es pugui modificar fàcilment i ampliar a baix cost

Els dissenys inicials seran per a un paquet modular de bateries i motors de corrent continu i micro-centrífuga

Sol·licitarà l'ajut de la comunitat de codi obert en línia per ajudar-vos amb el suport, la modificació i altres dissenys, per orientar-vos a les necessitats específiques individuals dels treballadors sanitaris en entorns remots i rurals

RENUNCIA DE RESPONSABILITAT: El projecte encara està en fase de proves de disseny i funcionalitat i encara no és adequat per a cap aplicació clínica o diagnòstica. L’electrònica i els motors s’han de muntar i utilitzar sota la responsabilitat dels lectors

Pas 1: declaracions de problemes i de disseny

Plantejament del problema:

La manca d’accés a equips de laboratori i clínics per ajudar en el diagnòstic i tractament de malalties condueix a la mort evitable de molts en zones remotes i amb infraestructures baixes. Concretament, la manca d’accés a centrífugues fiables bàsiques elimina els treballadors sanitaris d’una eina vital en la lluita contra els patògens transmesos per la sang, com la sida i la malària.

Declaració de disseny: dissenyar una microcentrifugadora i un paquet modular de bateries i motors de corrent continu per ajudar al diagnòstic i tractament de malalties causades per patologies transmeses per la sang (patògens i paràsits). Utilitzant tècniques de fabricació additiva quan sigui viable, aquest disseny busca millorar la portabilitat i reduir les barreres econòmiques de les tecnologies que salven vides.

Pas 2: raó del disseny:

Aquest disseny està dirigit a produir una microcentrífuga adequada per al seu ús de reemplaçament a les zones rurals mitjançant la impressió 3D d’escriptori FDM, tall per làser i electrònica per a hobby. En fer-ho, s’espera que el dispositiu sigui accessible per a una àmplia varietat de professionals sanitaris amb un accés variable als recursos.

En dissenyar el rotor de la centrífuga (part del disseny que conté els tubs d’assaig):

La força G necessària per a la separació de les mostres depèn del tipus de mostra desitjat, amb forces mitjanes per separar la sang en els seus components que oscil·len entre 1 000 i 2 000 g (thermofisher.com)

El càlcul de RPM a RFC (força G) es pot calcular utilitzant RCF = (rpm) 2 × 1,118 × 10-5 × r, on 'r' és el radi del rotor (bcf.technion.ac.il)

Pas 3: consideracions de disseny

Consideracions sobre la fabricació additiva:

• Es pot produir una mala adherència de la capa, cosa que provoca una resistència a la tracció pobra i un dany parcial

• Les propietats necessàries variaran segons els materials. Alguns ofereixen una bona tensió lateral i resistència a la compressió a un baix pes i cost

• Cal aplicar una configuració correcta durant el tall del codi G per assegurar-se que s’obtenen les propietats del material desitjades

• La longevitat de les peces produïdes amb aquesta tècnica és relativament baixa si es compara amb les que fan servir tècniques i materials més cars com els metalls de fresat CNC.

• Els termoplàstics tenen una temperatura de transició relativament baixa, de manera que s’ha de mantenir una temperatura de funcionament baixa (<80-90 celcius aproximadament).

Altres restriccions de disseny:

• És possible que algunes zones no tinguin un accés adequat a l’energia, potser hauran d’estar alimentades per bateries solars bàsiques, etc.

• La vibració i l'equilibri poden ser un problema

• Ha de ser capaç de generar RPM elevats durant períodes de fins a 15 min o més, cosa que provoca una elevada tensió mecànica en algunes parts

• És possible que els usuaris no tinguin experiència en l’ús d’equips i que necessitin assistència per reduir la barrera tècnica

Pas 4: disseny del mòdul inicial / base

El disseny anterior fa un millor ús de l’espai per proporcionar un espai adequat als components electrònics interns i garanteix un radi prou gran per a una gran varietat de rotors de centrífuga i dimensionament de tubs. L’estil ‘perfectament conjunt’ del disseny s’ha escollit per eliminar la necessitat de material de suport durant la producció i permetre la impressió, reparació i fabricació fàcils tant en la fabricació additiva com en la subtractiva. A més, la impressió de peces individuals més petites reduirà l’impacte de la fallada / error d’impressió i permetrà utilitzar una gran varietat de mides de llit d’impressió.

Aprofitant un disseny modular, es poden connectar al dispositiu molts tipus de bols centrífugs. Les ràpides modificacions i producció d’aquestes peces mitjançant la fabricació additiva permeten modificar la força G produïda i processar la mida / tipus de la mostra. Això ajuda a donar-li un avantatge respecte a les màquines tradicionals i proporciona un enfocament innovador per al disseny de màquines en funció de les necessitats de l’usuari final.

Pas 5: llista de peces

Parts impreses en 3D: els fitxers es penjaran a Github i a thingiverse i s’actualitzaran al més aviat possible.

• 1 x cargol de cargol
• 1 x femella del rotor
• 1 x femella de tapa
• 1 x tapa principal
• 4 x cos del rotor
• 1 x rotor d'angle fix
• 4 x llast superior / inferior
• 2 x llast lateral

Electrònica: (enllaços a productes aviat)

Arduino Nano (8-10 dòlars)

Cable del connector (<0,2 dòlars)

Controlador electrònic de velocitat (8-10 dòlars)

Motor CC sense escombretes de 12 V (15-25 dòlars)

Potenciòmetre (0,1 dòlars)

Bateria recarregable Li-po (15-25 dòlars)

Pas 6: Impressió de peces:

Totes les peces estan disponibles a github aquí: també disponibles a thingiverse aquí:

Peces impreses en 3D: 1 x cargol de cargol

1 x femella del rotor

1 x femella de tapa

1 x tapa principal

4 x cos del rotor

1 x rotor d'angle fix

4 x llast superior / inferior

2 x llast lateral

La configuració general de l'esborrany de Cura, o similar en un programari de talladora seleccionat, és una bona pauta per imprimir totes les parts del cos i del llast.

Pas 7: Muntatge: primer pas

• Prepareu les parts següents per al muntatge, tal com es mostra:

  • Base centrífuga
  • Carcassa de components
  • 4 x cos del rotor
• Totes les peces s’han d’ajustar perfectament i han d’estar fixades amb adhesius adequats

Pas 8: Muntatge: components electrònics

Prepareu els components electrònics següents per a la prova:

• Motor de corrent continu i ECS
• Pila
• Arduino Nano
• Taula de pa
• Potenciòmetre
• Filferros de pont

La codificació i les instruccions per a l'arduino es poden trobar aquí:

Article de

El motor de prova funciona sense problemes i respon al potenciòmetre. Si és així, instal·leu l'electrònica a la carcassa i proveu que el motor funcioni sense problemes i amb poques vibracions.

Aviat s’afegiran imatges de la ubicació exacta.

Pas 9: Muntatge: fixació del rotor i del cargol giratori

Reuneix rotor, rodets, filadors i femelles filadores.

Assegureu-vos que totes les peces s’adapten bé. La poliment pot ajudar si l’ajust és massa ajustat.

Assegureu-vos que el rotor tingui un recorregut suau i no salti ni oscil·li excessivament. Un plat pla es pot imprimir o tallar d’acrílic per ajudar a estabilitzar-lo si cal.

Un cop les peces hagin estat sotmeses i encaixades, fixeu el cargol giratori al fus del motor i fixeu el rotor amb les femelles com es mostra.

El rotor es pot eliminar per descarregar i carregar mostres o per canviar els tipus de rotor.

Pas 10: Muntatge: llast i tapes

Reuneix els contenidors de llast superiors i laterals, que actuaran com a suport, ponderació i amortiment de les vibracions.

Les peces s’han de ranurar juntes i mantenir-se al lloc quan s’omplin. Si cal, es poden fixar les peces juntes amb una super cola o un adhesiu similar.

La tapa principal del rotor ha d’adaptar-se de manera segura quan es fixa amb la femella del rotor superior.

Les peces haurien d’adaptar-se tal com es mostra a la imatge.

Pas 11: Conclusió

Els treballadors sanitaris situats a distància s’enfronten al repte de les barreres logístiques i econòmiques associades a l’obtenció i el manteniment de dispositius i components mèdics i de diagnòstic vitals. La manca d’accés a equips bàsics, com ara les centrífugues i els sistemes de bombes, pot provocar un temps d’espera fatal i un diagnòstic erroni.

Aquest disseny ha assolit el resultat desitjat en demostrar que és factible crear un dispositiu mèdic de codi obert (una microcentrífuga), mitjançant tècniques de fabricació d’escriptori i components electrònics bàsics. Es pot produir a una dècima part del cost de les màquines disponibles al comerç i fàcilment reparar-lo o desmuntar-lo perquè les peces es facin servir en altres dispositius, reduint les barreres econòmiques. Els components electrònics proporcionen una potència constant i fiable durant el temps necessari per processar les mostres de sang més habituals, proporcionant millors diagnòstics que les unitats de presa manual o alimentades a les zones amb infraestructura baixa. La viabilitat d’aquest disseny té un potencial futur en el desenvolupament d’una plataforma modular d’obertura lliure de dispositius mèdics, que utilitzi un conjunt bàsic de components per accionar diversos equips, com ara bombes peristàltiques, o com en aquest disseny, microcentrifugadores. Amb l'establiment d'una biblioteca de fitxers de codi obert, es podria utilitzar l'accés a una sola impressora FDM per produir una gran quantitat de peces, amb poc coneixement en disseny requerit per l'usuari final. D’aquesta manera s’eliminarien els problemes logístics associats a l’enviament de components bàsics, estalviant temps i vides.