Open Bioprinter DOMOTEK

Introduction: Open Bioprinter DOMOTEK

About: LA BIOFABRICACIÓN A TU ALCANCE

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El siguiente proyecto consiste en el diseño e implementación de una bioimpresora 3D capaz de extruir e imprimir un biogel compatible con el cuerpo humano con finalidad médica.

Para ello se parte de una impresora 3D convencional, la “Tevo Michelangelo”, la cual será transformada en una bioimpresora 3D.

El objetivo de este proyecto, es enseñar y dar a conocer al público de manera abierta, la posibilidad de que cada uno se puede fabricar en su casa una bioimpresora por menos de 500 euros. Mientras que el precio de las bioimpresoras del mercado es bastante superior.

  1. Suministros:
    • Componentes: Impresora "Tevo Michelangelo" [1], Acople motor d5xD20xL25, Varilla roscada de M5 y 120 mm de longitud, Varilla roscada de M3 y 93 mm de longitud, Guía lineal MGN9 y 110 mm de longitud, Patín MGN9H, Imanes de neodimio, Filamento PLA y Tornillería.
    • Herramientas: Sierra para metales o rotaflex, Soldador de estaño, Estaño, Cables, Pelacables, Alicates, Llaves hexagonales y Allens de varios tamaños y Destornilladores.
    • Material de Laboratorio: Jeringa de 10 ml, Puntas de Jeringa de 16 G (1.29 mm), Balanza (Capacidad: 300g x 0.01g), Papel de Aluminio, Agitador magnético (INTLLAB), Vaso de precipitado, Sistema Calefactor (Arduino, ramps 1.4, fuente de alimentación 12 V, cama caliente con termistor 100K), Gelatina porcina tipo A, Alginato Sódico, Solución de CaCl2 a 0.1 M y Agua.
    • Software: Solid Works, Tinkercad (online) [2], Arduino IDE [3], Ultimaker Cura 4.2.1 [4]
  2. Pasos del proyecto

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Step 1: Escogiendo La Impresora 3D

Se opta por construir la impresora de biotintas a partir de la impresora “Tevo Michelangelo”, debido a su aceptación por el público, bajo coste, fiabilidad y calidad contrastadas. Se pretende mantener la estructura de la impresora y modificar las partes necesarias para que cumpla la finalidad deseada.

Step 2: Extrusión

Se utiliza un motor paso a paso Nema 17 para la extrusión del material (extrusión mecánica). Si el motor del extrusor acompaña el movimiento del eje X de la impresora, se trata de una extrusión directa (Ej: “raise 3D”), por el contrario, si se tiene el motor del extrusor separado del extrusor, haciendo que el filamento recorra la distancia entre el motor y el "hottend", se dirá que es un sistema de extrusión tipo "Bowden" (Ej: “sigmax de BCN 3D”).

En este caso se emplea extrusión directa, en el que tenemos el motor situado en el carro del eje X, el motor mueve una pieza de PLA, que a su vez, empuja el pistón de la jeringa que hace bajar el émbolo de esta.

El extrusor que se propone consta de cinco piezas impresas (.stl), un soporte para el motor que se acopla en el carro del eje X (soporte motor), la pieza que soporta la jeringa (extrusor), una tapa que se acopla con la pieza que soporta la jeringa (tapa extrusor), una pieza móvil que empuja el émbolo de la jeringa (pieza móvil) y un tapón que se añade en el husillo roscado para poder mover la pieza móvil manualmente (rueda giro motor). Se emplea también una guía lineal metálica con su patín, varilla roscada de M5 y M3, y un acople de motor que transmite el movimiento del motor a la varilla roscada M5. Además de la tornillería empleada.

El montaje del extrusor es sencillo. En primer lugar, se atornilla el motor a la pieza soporte motor. A continuación, la guía metálica se atornilla al soporte del motor mediante seis tornillos, y se “encarrila” el patín en la guía con precaución. Después, se atornilla la pieza móvil al patín, y se atraviesa la misma con el husillo de M5 el cual es acoplado al motor Nema 17. En la parte superior del husillo, se pega la pieza que facilita el agarre manual del mismo (rueda giro motor) empleando pegamento y dos tuercas de M5 en fuerte contacto (se aprietan la una a la otra en sentido opuesto).

Step 3: Sistema Bisagra Del Extrusor

La pieza extrusor, se atornilla al soporte motor. Después, se insertan imanes con pegamento, en la tapa y en la pieza extrusor respetando la polaridad de los mismos. El sistema extrusor y tapa extrusor, se comportan como un sistema bisagra en el que se tiene el husillo roscado de M3 atravesando la tapa y el extrusor, permitiendo que la tapa actúe como una “puerta”. Para que el husillo quede fijo y no se suelte, se le introduce una tuerca de M3 autoblocante.

Step 4: Montaje Del Extrusor En La Impresora

Faltaría montar el extrusor completo en el carro de la impresora, para ello se utilizan 3 tornillos allen de M5 x 40. El nuevo extrusor se tiene que montar como el original, es decir los tornillos tienen que atravesar el rodamiento, el pasador cilíndrico, el carro del eje X y la pieza soporte motor.

Step 5: Hardware

Se utiliza la placa madre original de la “Tevo Michelangelo” (MKS. Gen_L V1.0), alimentada con su fuente de alimentación original (12V – 7A) y pantalla LCD original.

Al no tener cama caliente, y al ser la extrusión en frio, las conexiones son más sencillas. Ya que las salidas de los calentadores de la cama y extrusor no se utilizan. Se utiliza un termistor de 100K conectado en la salida TH1 que indica la temperatura ambiente en cada momento.

Por otro lado, el único ventilador que está habilitado es el que refrigera la placa madre y la fuente de alimentación, el cual ha sido conectado directamente en paralelo a la fuente junto con la placa madre.

Step 6: Modificación De Hardware

Se observa que no es necesaria la conexión de cama caliente ni de extrusores calefactados.

Tampoco se necesita ventilador para extrusores (ya que la extrusión se realiza en frio), solo se tiene un ventilador conectado en paralelo a la fuente de alimentación, el cual nos refrigera la placa madre.

Las conexiones son las siguientes:

  • Una fuente de alimentación conectada a 12 V, y en paralelo con el ventilador de la placa.
  • Motores paso a paso eje X, eje Y, eje Z con su driver en su posición (conexión original).
  • Finales de carrera X-, Y-, Z- (conexión original)
  • EXP1 y EXP2 para las conexiones con la pantalla LCD de la impresora (conexión original).
  • Un termistor de 100K conectado en TH1 que indica la temperatura ambiente
  • Drivers de motores originales (conexión original)

Step 7: Software De Impresora

El software que se utiliza en la impresora, es el Marlin original de la “Tevo Michelangelo”, el cual se ha descargado de la página web “github” [5]. Utilizando el Arduino IDE, se modifica el firmware:

En la configuración predeterminada del "Marlin" está la limitación de que el motor del extrusor empiece a funcionar, solo cuando la boquilla este caliente, esto es para prevenir la extrusión en frio.

Como la extrusión se realiza a temperatura ambiente, se prescinde de esta limitación.

Para ello, en Configuration.h, se comentan las líneas que dicen:

“#define PREVENT_COLD_EXTRUSION”

“#define THERMAL_PROTECTION_HOTENDS”

Por otro lado, al haber cambiado el motor del extrusor, ha sido necesario volver a calibrar los pasos por milímetro del mismo.

Para ello tenemos que hacer el siguiente cambio en el firmware:

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT { 80.165, 80.165, 399.2901, 4038 }

Como las dimensiones del nuevo extrusor que se ha montado no son las mismas que las del original, se tienen que hacer los siguientes cambios para tener el centro de la pieza situado en el centro de la cama:

#define X_MIN_POS -15

#define Y_MIN_POS -45

#define Z_MIN_POS 0

#define X_MIN_POS 145

#define Y_MIN_POS 115

#define Z_MIN_POS 100

Ahora la impresora está lista para imprimir.

Step 8: Software De Fileteado

El software de fileteado que se emplea es el “Ultimaker Cura 4.2.1”, es un programa de software libre y de fácil uso, con el que se generan archivos “.gcode” a partir de un “.stl”.

Antes de ponerse a imprimir, es necesario cambiar algunos parámetros de impresión, ya que no es lo mismo imprimir con filamento que con un biogel.

Para ello, se crea un perfil “custom” llamado “Bioprinter", en el que se tienen algunos de los parámetros adecuados para la bioimpresión.

Ponganse en contacto con nosotros, si el perfil es de vuestro interés.

Step 9: Software De Fileteado (Machine Settings)

Los cambios realizados se representan en las imágenes (el acceso a este menú se hace desde “Manage Printers”, seleccionando la “Tevo Tornado” y “Machine Settings”.

En “Extruder 1”, se tiene que seleccionar el diámetro de la boquilla que se está empleando, en nuestro caso es 16 G, es decir 1.29mm. También es necesario cambiar a 15 mm el diámetro compatible del material para luego poder seleccionar en materiales el diámetro del filamento. El diámetro interior de la jeringa es de 15 mm.

Step 10: Software De Fileteado (Materials)

Si se pulsa en el tipo de filamento que se va a utilizar, y se pulsa sobre “manage materials” se accede al tipo de filamento que se va a utilizar. En este caso no se utiliza filamento, si no una solución viscosa dentro de una jeringa de 15 mm de diámetro, con lo cual, hace falta crear un material “custom” seleccionando 15 mm como diámetro de filamento.

Este perfil “custom" está disponible para descargar e importar con el nombre “bioprinter.cura.profile”.

Step 11: Creación Del Biogel

El “Biogel o Biotinta” es el material que está en el interior de la jeringa de 10 ml, y es lo que se va a extruir/imprimir.

La idea es que este biogel este compuesto por materiales bioabsorvibles (como el fosfato de calcio para la creación de hueso), al que se le podrían añadir células para que el cuerpo humano no produzca rechazo sobre el mismo.

Se ha creado un Biogel más sencillo, que también se adapta a las necesidades.

Para ello se ha usado la formulación de gelatina y alginato que proponen "Bin Duan et. al." [6].

En este caso, las disoluciones se harán en agua y no en una disolución de calcio cloruro como proponen los autores. Para lograr un sistema de agitación con base calefactora, se ha recurrido a un método de unir el sistema de agitación magnética con una cama de silicona que usan las impresoras 3D. De esta manera se ha conseguido mantener la mezcla a 40 grados.

El tiempo necesario para la mezcla de la gelatina ha sido de 2 horas y media (en 40 ml de agua). La mezcla del alginato demora más, ya que el biogel empieza a ser más viscoso.

El tiempo empleado ha sido de 4 horas y media. Con lo cual el tiempo total de fabricación del biogel es de siete horas.

Step 12: Perfil De Impresión

Si se ha descargado e importado el perfil "bioprinter.cura.profile", los parámetros estarán puestos por defecto.

Algunos parámetros que se han modificado son los siguientes: anchura y altura de capa, flujo de material, velocidad de impresión...

Flow = 100% (flujo de material)

Extrusion width = 0.2 mm (anchura de capa)

Enable retraction disabled (Retracción desactivada)

Layer Height = 0.15 mm (altura de capa)

Initial Layer Height = 0.2 mm

Line width = 1.29

Top thickness = 0.8

Botton thickness = 0.8

Infill density = 100% (relleno)

Print speed = 35 m/s (velocidad de impresión)

Velocidad de relleno = 35 m/s

Estos parámetros están guardados en “bioprinter” que está disponible para descargar e importar en el Cura. La generación de gcode para la impresora sigue siendo altamente experimental y requiere mucha paciencia.

Step 13: Presupuesto Componentes

Step 14: Presupuesto Piezas Impresas

Para la impresión de las piezas se emplea PLA negro de FFFWorld que cuesta la bobina de 1Kg 21 €. Si introducimos el precio del filamento en el software Ultimaker Cura 4.2.1 devuelve el coste de material de cada pieza.

Step 15: Presupuesto Material De Laboratorio

Step 16: Coste Total Del Proyecto

La parte del software es completamente gratuita, ya que para el procesado de los archivos STL con los que imprime la impresora se utiliza el “Ultimaker Cura 4.2.1”, un programa abierto y gratuito.

Step 17: Prueba De Impresión Con Biogel

Se adjunta un “.gcode” de prueba llamado “cilindro_prueba” con el que se imprime la mezcla de gelatina y alginato en agua. Cabe destacar que todas las pruebas de impresión se han hecho sobre un soporte de vidrio de 150x150x3mm.

Finalmente el biogel será curado con NaCl para transformar el biogel en sólido puro.

(Añadir URL del video)

Step 18: Prueba De Impresión Con Pasta De Dientes

También se han hecho pruebas con pasta de dientes, imprimiendo un cilindro sobre un hexágono y el mismo sobre un cubo.

Step 19: Referencias

[1]

«Enlace de compra Tevo Michelangelo,» [En línea]. Available: https://es.aliexpress.com/item/32854486487.html?spm=a219c.12010612.8148356.1.244447fea2IyQ9 .

[2]

Autodesk, «TinkerCad,» 2011. [En línea]. Available: https://www.tinkercad.com/.

[3]

«Enlace de Descarga Arduino IDE,» [En línea]. Available: https://www.arduino.cc/en/main/software.

[4]

«Enlace de Descarga Ultimaker Cura 4.2.1,» [En línea]. Available: https://github.com/Ultimaker/Cura/releases/tag/4.2.1.

[5]

tevo3d, «GitHub,» 21 Marzo 2018. [En línea]. Available: https://github.com/tevo3d/Tevo-Michelangelo.

[6]

L. A. H. K. H. K. J. T. B. Bin Duan, «3D Bioprinting of heterogeneous aortic valve conduits with alginate/,» 15 Agosto 2012. [En línea]. Available: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3694360/#SD1.

[7]

«Enlace de Compra Driver,» [En línea]. Available: https://es.aliexpress.com/item/32844718096.html?spm=a2g0o.productlist.0.0.353f7cc94W3vxA&s=p&algo_pvid=b9c28726-4c0b-4203-b673-eb6c1b43b979&algo_expid=b9c28726-4c0b-4203-b673-eb6c1b43b979-3&btsid=263b477a-810e-457c-9637-252a8cdb2145&ws_ab_test=searchweb0_.

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