3D-Fuge…Μια τρισδιάστατα εκτυπωμένη και χειροκίνητη φυγόκεντρος για τη Μοριακή Βιολογία.
Προτού εξηγήσουμε αναλυτικά τι είναι το 3D-Fuge, ας αποδομήσουμε τον τίτλο στα συνθετικά του μέρη…
Το 3D βγαίνει από το “three-dimensional” που σημαίνει τρισδιάστατος. Το 3D στη συγκεκριμένη περίπτωση προσδιορίζει το printed που παραλείπεται και αναφέρεται επομένως στην τρισδιάστατη εκτύπωση. Η τρισδιάστατη εκτύπωση (3D printing) είναι μια μέθοδος προσθετικής κατασκευής στην οποία κατασκευάζονται αντικείμενα μέσω της διαδοχικής πρόσθεσης επάλληλων στρώσεων υλικού. Στη τρισδιάστατη εκτύπωση μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι τύποι υλικού, κυρίως κεραμικά και πολυμερή.
Για να εκτυπωθεί τρισδιάστατα ένα αντικείμενο, πρέπει αρχικά είτε να δημιουργηθεί ένα σχέδιο για το αντικείμενο αυτό μέσω ενός λογισμικού (π.χ.Blender) , είτε να ληφθεί ένα έτοιμο σχέδιο για τρισδιάστατη εκτύπωση που έχουν φτιάξει άλλοι χρήστες από συγκεκριμένες ιστοσελίδες (π.χ. Thingiverse).
Έπειτα αυτό που μένει, είναι το σχέδιο αυτό να σταλεί στον εκτυπωτή και εκείνος να αρχίσει να το κατασκευάζει.
Δες εδώ ένα βιντεάκι για το πως λειτουργεί ένας τρισδιάστατος εκτυπωτής.
Όσον αφορά το δεύτερο μέρος του τίτλου “Fuge” , βγαίνει από την ελληνική λέξη «φεύγω». Στην ουσία είναι ένα από τα συνθετικά μέρη της λέξης “centrifuge” που σημαίνει «φυγόκεντρος» ➸ απομακρύνομαι από το κέντρο.
Τι είναι όμως η φυγόκεντρος;
Η φυγόκεντρος είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί φυγοκεντρική δύναμη για το διαχωρισμό διαφόρων συστατικών ενός υγρού. Αυτό επιτυγχάνεται περιστρέφοντας το ρευστό σε υψηλή ταχύτητα μέσα σε ένα δοχείο, διαχωρίζοντας έτσι ρευστά από στερεά ή υγρά διαφορετικών πυκνoτήτων.
Το 3D-Fuge είναι λοιπόν μία τρισδιάστατη τυπωμένη (3D printed) φυγόκεντρος που λειτουργεί χειροκίνητα, ως μια νέα εναλλακτική λύση για τις τυπικές φυγοκέντρους εργαστηρίων,που αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια μιας ερευνητικής αποστολής βιοποικιλότητας στα Tambopata του Περού, στο καταφύγιο Refugio Amazonas
Εδώ βλέπουμε μια συμβατική εργαστηριακή φυγοκεντρική συσκευή :
Και εδώ βλέπουμε μια χάρτινη φυγόκεντρο (paperfuge) :
Εμείς όμως θα ασχοληθούμε με μία σχετικά πρόσφατη μορφή φυγοκέντρου, που δεν είναι άλλη από το 3D-Fuge.
Κάποια από τα χαρακτηριστικά/ προτερήματα του 3D-Fuge :
•Το 3D-Fuge είναι ικανό για φυγοκέντρηση μιας μεγάλης ποικιλίας διαφορετικών διαλυμάτων, όπως η περιστροφή δειγμάτων για εφαρμογές βιοδεικτών και η εκτέλεση εκχυλίσεων νουκλεοτιδίων , ως μέρος μιας φορητής συσκευής μοριακού εργαστηρίου.
•αυτό το τρισδιάστατο τυπωμένο όργανο είναι ικανό να συγκρατεί και να περιστρέφει 4 δείγματα, ενώ αυξάνει την χωρητικότητα του όγκου των σωληνών στα 2 mL (εν αντιθέσει με την χάρτινη φυγόκεντρο ➸ 20 μL ανά τριχοειδή σωλήνα ) και μπορεί να φτάσει σε ταχύτητες φυγοκέντρησης έως και 6.000 σ.α.λ.
•είναι μία φυγόκεντρος πολύ χαμηλού κόστους (κόστος μικρότερο του ενός δολαρίου Αμερικής) και μπορεί να παραχθεί από οποιονδήποτε έχει πρόσβαση σε έναν εκτυπωτή 3D.
•Είναι φορητή και δεν απαιτεί συνεχή πρόσβαση στην ηλεκτρική ενέργεια, καθιστώντας εύκολη τη μεταφορά και τη χρήση της για διάφορες εφαρμογές.
•Η ικανότητα ταχείας εξαγωγής και καθαρισμού νουκλεϊκών οξέων με χειροκίνητη φυγόκεντρο χαμηλού κόστους, είναι σίγουρα χρήσιμη για ένα ευρύ φάσμα μοριακών εφαρμογών όταν κάποιος δεν έχει πρόσβαση σε συμβατικό εργαστηριακό εξοπλισμό, όπως σε βιολογικά απομακρυσμένα πεδία έρευνας ή σε ένα εκπαιδευτικό περιβάλλον.
Επομένως, συμβάλλει στο να επεκταθεί η επιστημονική έρευνα χωρίς αναστολή για λόγους κόστους και προσβασιμότητας.
Δες πως λειτουργεί το 3D-Fuge εδώ.
Στη συνέχεια παρουσιάζονται δύο διαφορετικά σχέδια του 3D-Fuge:
Το Σχέδιο 1 είναι ικανό να συγκρατεί σωλήνες με χωρητικότητα όγκου 2,0 mL για να επιτρέπει ροές εργασίας για εκχυλίσεις νουκλεοτιδίων και
το Σχέδιο 2 είναι ικανό να συγκρατεί σωλήνες PCR με χωρητικότητα όγκου 0,2 mL για να καταστεί δυνατή η ροή εργασίας, με τη σφαιροποίηση βακτηριακών κυττάρων.
Στον πίνακα που ακολουθεί βλέπουμε τα χαρακτηριστικά του κάθε μοντέλου 3D-Fuge:
Όμως, όπως λέει και η γνωστή η ρήση “Κανείς και τίποτα δεν είναι τέλειο”.
Πάμε λοιπόν να δούμε κάποιους από τους περιορισμούς του 3D-Fuge:
•Ένας περιορισμός του 3D-Fuge είναι το ότι μπορεί να χωρέσει έως και 4 σωλήνες ταυτόχρονα, πράγμα που σημαίνει ότι η αύξηση της ακτίνας και του βάρους για την τοποθέτηση πρόσθετων σωλήνων μπορεί να μειώσει τη μέγιστη ταχύτητα και να αυξήσει την μυϊκή κόπωση του χρήστη.
•Κατά συνέπεια, αυτό περιορίζει τον αριθμό των δειγμάτων που μπορούν να υποβληθούν σε ταυτόχρονη επεξεργασία. Ωστόσο, λόγω του χαμηλού κόστους της συσκευής αυτής, μπορούν να παραχθούν αρκετές μονάδες και επιπλέον χρήστες θα μπορούσαν να εκτελέσουν παράλληλα βήματα φυγοκέντρησης.
•Ένας άλλος περιορισμός στο 3D-Fuge είναι η ταχύτητα περιστροφής που μπορεί να επιτύχει, η οποία αποδίδεται στο αυξημένο βάρος της καθώς και στη χρήση ενός πιο ανθεκτικού πολυμερούς υλικού (PLA) για την κατασκευή. Για παράδειγμα, το paperfuge ζυγίζει 2 g, ενώ το 3D Fuge ζυγίζει 20 g περίπου. Έτσι, όπως είναι αναμενόμενο, η ταχύτητα περιστροφής στην χάρτινη φυγόκεντρο φτάνει τα 20.000 RPM έναντι των 6.000 RPM του 3D Fuge, η οποία όμως είναι απαραίτητη για την επίτευξη της μεγαλύτερης χωρητικότητας όγκου που απαιτείται για τις εφαρμογές μοριακής βιολογίας.
Εν κατακλείδι, είναι ξεκάθαρο πως η καινοτομία σε εργαλεία-όργανα με χαμηλό οικονομικό κόστος και πολλαπλά οφέλη , που εξυπηρετούν ερευνητικές διεργασίες, κρίνεται βαρυσήμαντη και προσοδοφόρα για την ερευνητική και την εκπαιδευτική κοινότητα. H τεχνολογία είναι ένας αδιαμφισβήτητος σύμμαχος σε αυτή την προσπάθεια και οι υπηρεσίες της θα πρέπει να αξιοποιούνται καταλλήλως. Έτσι ευελπιστούμε πως οι Gaurav Byagathvalli, Aaron Pomerantz, Soham Sinha, Janet Standeven, M. Saad Bhamla θα εμπνεύσουν με τη σειρά τους άλλους να συνεχίσουν αυτό το αξιότιμο έργο.