Två högskolestudenter designade ett 3-D-printat system för optisk kartläggning, ett ledande verktyg inom hjärtelektrofysiologi som används för att studera arytmimekanismer. Systemet kan implementeras för en bråkdel av kostnaden för kommersiellt tillgänglig utrustning.

Sofian Obaid, B.S. '18, en förstaårs Ph.D. studerande, och Brianna Cathey, en senior inriktning biomedicinsk teknik, publicerade nyligen ett papper om deras 3D-tryckta system och medföljande dataanalysprogramvara i Vetenskapliga rapporter . Deras design kan laddas ner och modifieras av forskare som vill replikera hela systemet eller bara delar av det, minska ekonomiska och protokollmässiga genomförbarhetshinder för hjärtelektrofysiologiska laboratorier och det bredare forskarsamhället.

Arbetar under Igor Efimov, ordförande i biomedicinsk teknik och Alisann och Terry Collins professor i biomedicinsk teknik, Obaid och Cathey fick initialt uppdraget av postdoktor Sharon George, med 3D-utskrift av en enda del för ett experiment. Dr. Efimov gillade deras idé och utmanade dem att designa ett helt optiskt kartsystem som skulle öka flexibiliteten i forskningsprotokoll och minska ekonomiska hinder för forskning.

Förmågan att göra 3D-utskrift har demokratiserat ingenjörsskapande kreativitet inom många områden, men det är särskilt effektivt i biomedicinsk teknik, där sofistikerade tekniska lösningar behövs för att hjälpa enskilda patienter, sa doktor Efimov.

"Brianna och Sofian har genom sin professionella tillväxt som BME-studenter visat en väg till framtida studenter hur man kan vara ambitiös och utmana befintliga metoder inom vårt område, " sa han. "Att arbeta med Dr. Sharon George och andra medarbetare, de skapade ett ramverk för anpassade 3D-tryckta bildsystem med öppen källkod, en experimentell studie i taget. Det kommer inom en snar framtid att tillåta alla biologer utan ingenjörsbakgrund att utforma sina experimentella metoder skräddarsydda för ett biologiskt fenomen som undersöks."

Till exempel, en komponent i det traditionella systemet är en låda utformad för att hålla en liten spegel i en 45-graders vinkel. Om en forskare behövde byta ut den där ungefär tre tumslådan skulle det kosta tusentals dollar. Istället, en design för en del med samma funktion finns tillgänglig för nedladdning och kan 3D-printas för cirka 40 USD.

"Med små enkla saker som det, du skulle tro att det inte skulle vara ett problem att hitta en billig lösning, men våra experiment kräver specifika förhållanden för att ljuset ska kunna samlas in på rätt sätt och resa på rätt sätt för att få de bästa data, "Ms Cathey sa. "De mekaniska delarna måste faktiskt uppfylla många krav och kunna anpassas till specialbeställda högkostnadsoptik."

Användare kan nu antingen ladda ner specifika delar av ett kartsystem som de vill replikera eller hela systemet, som stöder specialiserad optisk utrustning inklusive kameror, linser och speglar. Forskare kan spara nästan $ 21, 000 genom att 3-D skriva ut ett nytt system istället för att köpa ett som finns på marknaden för närvarande.

Förutom högre kostnader, kommersiellt köpta system är också vanligtvis skräddarsydda för en specifik linsstorlek och vävnadspreparat. Dock, det 3-D-printade systemet ger användarna möjlighet att ändra dessa element. Denna förändring kommer också att hjälpa forskare att spara pengar som de istället kan kanalisera till olika aspekter av sitt arbete.

Cathey och Mr. Obaid arbetade med projektet i ungefär ett och ett halvt år innan de skickade in sin uppsats för publicering. Systemet har mer än 55 distinkta delar och att skapa det var en utmaning eftersom forskarna var tvungna att tänka flera steg framåt, med tanke på hur varje designbeslut skulle påverka den övergripande systemfunktionen.

Herr Obaid, som arbetade med detta projekt som en grundutbildning, sa att forskning drev honom att fortsätta att bedriva biomedicinsk teknik som doktorand. Mr. Obaid arbetar för närvarande under Luyao Lu i hans avancerade biointegrerade elektroniklabb.

"Det bästa med min erfarenhet var att lära mig nya färdigheter och tillämpa dem för att förbättra en viktig forskningsmetod, " han sa.

Ms Cathey, som planerar att gå medicinsk skola efter att ha tagit ett mellanår, sa att forskning gav henne en mer omfattande förståelse för de tekniska principer hon studerade. Hon pratade med Dr. Efimov om att engagera sig i hans labb som förstaårsstudent och har tagit på sig mer ansvar med tiden.

"Det här projektet har varit en bra läroupplevelse för att se vilken typ av engagemang som krävs för att göra ett meningsfullt bidrag till området, " Hon sa.

Cathey hoppas kunna göra kliniskt tillämpade ingenjörsstudier i framtiden. Hon är en av grundarna av George Hacks och presenterades nyligen på American Association for the Advancement of Science årliga möte om att främja social förändring genom innovation.