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2020 年 09 月 22 日

Sebastian Eggert 是如何通过使用 Opentrons 获得实验室自动化博士学位的

昆士兰科技大学的 Sebastian Eggert 使用其组织工程实验室的 Opentrons OT-1 机器人获得了实验室自动化博士学位。

没想到简单的设备订购,竟包含着能斩获博士学位的宝藏灵感!这正是澳大利亚昆士兰科技大学(QUT)Sebastian Eggert 的亲身经历,他为学校的组织工程实验室订购了一台 Opentrons OT-1机器人。正是这台 Opentrons OT-1 自动化移液平台让他获得了实验室自动化博士学位。本期为大家分享他的 Opentrons 使用经历。

“作为一名工程师,你常常会思考很多事物是可以自动化的”

在德国南部出生和长大的 Sebastian 在慕尼黑工业大学获得了机械工程硕士学位,同时也在基于生物学和化学的实验室工作过。2017年4月,他搬到澳大利亚,在昆士兰大学生物医学工程中心开始攻读博士学位。

我们正在创造粘稠的凝胶生物材料来模拟人体细胞,同时也在设计和构建生理相关的新型微环境。这些3D模型,例如乳腺癌和前列腺癌模型,被用于药物筛选以评估化学、物理或生物因素的影响,以确定服用新药物可能对人类产生的影响。

然而,不用说对数百种药物进行筛选,哪怕只对一种药物进行筛选,都可能涉及数百万个乏味、耗时且令人头脑麻木的移液步骤。

操作这些简单重复的移液工作根本就不需要有博士学位或花费 10 年时间接受专业教育,我告诉自己,那不是我想做的,我不会浪费整天时间进行移液。作为一名工程师,您常常会思考事物是可以自动化的。

这就是他当时所做的。2017 年 12 月,他得到了教授的许可,为实验室购入了一台 OT-1 移液工作站,用于这些常规工作的自动化执行。

我们可以根据应用需求定制协议。当时我几乎可以说是没有任何预期和经验。博士生通常不会订购大型实验室设备!但是因为我有工程背景,所以对自动化技术相对容易理解,并开始尝试编程。

可适应的编码是 Sebastian 选择较旧的 OT-1 移液平台,而不是刚刚发布的 OT-2

我们想要设备可定制话,OT-1 更适合 DIY。使用其他机器人,我们必须坚持使用它们的软件和 API,无法访问它们的协议参数。但是,Opentrons 为我们提供了免费、开源的软件,因此我们可以根据应用需求定制协议。Opentrons 网站上的教程和视频非常直观。为了适应我们的应用,我生成了自己的 API 并更改了内容。当我看到通常手动使用的移液器突然开始自动分配和吸取,这个瞬间让我感到振奋不已。

处理棘手的情况

然而,用 Opentrons 机器人处理粘稠的、像蜂蜜一样的水凝胶与其他常规液体的处理方法是不同的。

使用传统的空气垫移液器时,粘性液体会缓慢地移动到吸头,并产生气泡。此外,吸头往往会残留一些材料。您可以购买手持式正位移移液器,该移液器使用固体活塞可靠地将粘性液体推出吸头,但这类设备价格昂贵。我定制并3D打印了特殊的移液器支架,并优化了OT-1以整合正位移移液器,从而实现粘性液体的自动化移液,同时确保了移液效率和可重复性。

仅这一项创新就已经是一项显著的成就,但对于 Sebastian 来说,这只是他创造力和博士课题的开始。

在我开始博士研究时,我构思了一个模块化的开源工作站的概念,其中移液是吸取和分配的基本模块。我们根据我的概念购买了 OT-1。从我拿到 OT-1 开始,Opentrons 的开源愿景就激发了我的博士研究的灵感。我对可选择定制化硬件和软件更改感到着迷。

在 Sebastian 整合了正位移移液器并更加熟悉编程方法后,他与前Opentrons高级软件工程师 Toma Morris 联系,Toma 为 Sebastian 提供了软件导航的相关指导,以补充他的硬件专业知识。

“我很高兴能够帮助塞巴斯蒂安激发他的博士研究灵感,这样他和他所做的工作就可以帮助更多人。”——Toma Morris

非常感谢 Opentrons,让我在开发定制解决方案的时候能够访问所有参数和步骤。此外,由于 Opentrons 的开源特性,让我可以集成其他定制模块以同步运行。2018 年中旬,我准备整合一个额外的硬件模块以构建更复杂的工作站。通过概念构思、分析和方案设计,我最终提出了一个简单的、更容易被其他实验室采纳的研究概念。这花了一些时间,但最终,我找到了将这个概念纳入我的博士研究的方法。多亏了 OT-1,我的博士研究已经演变为专注于 3D 细胞培养工作流程的自动化解决方案的设计和开发。

行使集会权利——自动化

Sebastian 的概念展示了一种流水线式的做法,以用户友好的方式执行实验室所需的基本步骤,便于其他实验室采用。

他使用铝制框架和丙烯酸板,自己负责电气工程、焊接和组装,独立制作一个外壳。然后,他设计并开发了可互相替换的硬件模块,包括一个存储模块,用于存放待处理的孔板,以增加吞吐量;一个交联剂模块,用于启动水凝胶的光聚合;以及一个运输模块,用于通过系统移动和定位孔板。

与独立的自动化移液平台不同,所有组件完全组装到外壳中,并配合OT-1,基座就可以自动将样本输送到各个模块中。(单击此处查看正在运行的系统。)

在一个系统中,各个模块的组合可以实现一组特定的功能。

现在他正在回馈社会。

Opentrons的愿景也激励了我们,我们愿意遵循同样的开源理念。关于如何使用正位移移液器与OT-1配合使用的所有文件,包括修订的软件脚本用于“获取吸头”功能的10行代码,以及用于3D打印或激光切割移液器支架的图案,现在都可以通过GitHub免费访问。

Opentrons一直乐于助人,他们非常支持我的工作。

如今,Sebastian 正在进行他的博士研究的最后一次实验。他的研究结果的摘要已经发表在《HardwareX》上,这是一份同行评审的开源获取科学期刊,专门致力于科学仪器的开放源代码设计和构建,这也将成为他今年晚些时候提交的博士论文的一章。

第二个原型的硬件开发也已经完成,运行状况良好。在会议上,看到其他科学家对这个项目的热情以及其他博士生在自己的研究中采用该系统的热情,这真的令人感到兴奋。Opentrons一直乐于助人,并支持我的工作。在访问纽约期间,我有机会向Toma, Will Canine(联合创始人和首席产品官)和 Alfie Umbhau (产品总监)展示我的概念。他们都很热情,并提供了额外的支持和见解。尤其感谢Toma,他帮助我整合和开发了我自己的API。没有他的帮助,这个项目就不会达到现在的阶段。我非常感激!

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