昆士蘭科技大學(xué)的 Sebastian Eggert 使用其組織工程實(shí)驗(yàn)室的 Opentrons OT-1 機(jī)器人獲得了實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化博士學(xué)位。

沒(méi)想到簡(jiǎn)單的設(shè)備訂購(gòu)，竟包含著能斬獲博士學(xué)位的寶藏靈感！這正是澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)（QUT）的 Sebastian Eggert 的親身經(jīng)歷，他為學(xué)校的組織工程實(shí)驗(yàn)室訂購(gòu)了一臺(tái) Opentrons OT-1機(jī)器人。正是這臺(tái) Opentrons OT-1 自動(dòng)化移液平臺(tái)讓他獲得了實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化博士學(xué)位。本期為大家分享他的 Opentrons 使用經(jīng)歷。

“作為一名工程師，你常常會(huì)思考很多事物是可以自動(dòng)化的”

在德國(guó)南部出生和長(zhǎng)大的 Sebastian 在慕尼黑工業(yè)大學(xué)獲得了機(jī)械工程碩士學(xué)位，同時(shí)也在基于生物學(xué)和化學(xué)的實(shí)驗(yàn)室工作過(guò)。2017年4月，他搬到澳大利亞，在昆士蘭大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程中心開(kāi)始攻讀博士學(xué)位。

我們正在創(chuàng)造粘稠的凝膠生物材料來(lái)模擬人體細(xì)胞，同時(shí)也在設(shè)計(jì)和構(gòu)建生理相關(guān)的新型微環(huán)境。這些3D模型，例如乳腺癌和前列腺癌模型，被用于藥物篩選以評(píng)估化學(xué)、物理或生物因素的影響，以確定服用新藥物可能對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生的影響。

然而，不用說(shuō)對(duì)數(shù)百種藥物進(jìn)行篩選，哪怕只對(duì)一種藥物進(jìn)行篩選，都可能涉及數(shù)百萬(wàn)個(gè)乏味、耗時(shí)且令人頭腦麻木的移液步驟。

操作這些簡(jiǎn)單重復(fù)的移液工作根本就不需要有博士學(xué)位或花費(fèi) 10 年時(shí)間接受專(zhuān)業(yè)教育，我告訴自己，那不是我想做的，我不會(huì)浪費(fèi)整天時(shí)間進(jìn)行移液。作為一名工程師，您常常會(huì)思考事物是可以自動(dòng)化的。

這就是他當(dāng)時(shí)所做的。2017 年 12 月，他得到了教授的許可，為實(shí)驗(yàn)室購(gòu)入了一臺(tái) OT-1 移液工作站，用于這些常規(guī)工作的自動(dòng)化執(zhí)行。

我們可以根據(jù)應(yīng)用需求定制協(xié)議。當(dāng)時(shí)我?guī)缀蹩梢哉f(shuō)是沒(méi)有任何預(yù)期和經(jīng)驗(yàn)。博士生通常不會(huì)訂購(gòu)大型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備！但是因?yàn)槲矣泄こ瘫尘?，所以?duì)自動(dòng)化技術(shù)相對(duì)容易理解，并開(kāi)始嘗試編程。

可適應(yīng)的編碼是 Sebastian 選擇較舊的 OT-1 移液平臺(tái)，而不是剛剛發(fā)布的?OT-2。

我們想要設(shè)備可定制話，OT-1 更適合 DIY。使用其他機(jī)器人，我們必須堅(jiān)持使用它們的軟件和 API，無(wú)法訪問(wèn)它們的協(xié)議參數(shù)。但是，Opentrons 為我們提供了免費(fèi)、開(kāi)源的軟件，因此我們可以根據(jù)應(yīng)用需求定制協(xié)議。Opentrons 網(wǎng)站上的教程和視頻非常直觀。為了適應(yīng)我們的應(yīng)用，我生成了自己的 API 并更改了內(nèi)容。當(dāng)我看到通常手動(dòng)使用的移液器突然開(kāi)始自動(dòng)分配和吸取，這個(gè)瞬間讓我感到振奮不已。

處理棘手的情況

然而，用 Opentrons 機(jī)器人處理粘稠的、像蜂蜜一樣的水凝膠與其他常規(guī)液體的處理方法是不同的。

使用傳統(tǒng)的空氣墊移液器時(shí)，粘性液體會(huì)緩慢地移動(dòng)到吸頭，并產(chǎn)生氣泡。此外，吸頭往往會(huì)殘留一些材料。您可以購(gòu)買(mǎi)手持式正位移移液器，該移液器使用固體活塞可靠地將粘性液體推出吸頭，但這類(lèi)設(shè)備價(jià)格昂貴。我定制并3D打印了特殊的移液器支架，并優(yōu)化了OT-1以整合正位移移液器，從而實(shí)現(xiàn)粘性液體的自動(dòng)化移液，同時(shí)確保了移液效率和可重復(fù)性。

僅這一項(xiàng)創(chuàng)新就已經(jīng)是一項(xiàng)顯著的成就，但對(duì)于 Sebastian 來(lái)說(shuō)，這只是他創(chuàng)造力和博士課題的開(kāi)始。

在我開(kāi)始博士研究時(shí)，我構(gòu)思了一個(gè)模塊化的開(kāi)源工作站的概念，其中移液是吸取和分配的基本模塊。我們根據(jù)我的概念購(gòu)買(mǎi)了 OT-1。從我拿到 OT-1 開(kāi)始，Opentrons 的開(kāi)源愿景就激發(fā)了我的博士研究的靈感。我對(duì)可選擇定制化硬件和軟件更改感到著迷。

在 Sebastian 整合了正位移移液器并更加熟悉編程方法后，他與前Opentrons高級(jí)軟件工程師 Toma Morris 聯(lián)系，Toma 為 Sebastian 提供了軟件導(dǎo)航的相關(guān)指導(dǎo)，以補(bǔ)充他的硬件專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

“我很高興能夠幫助塞巴斯蒂安激發(fā)他的博士研究靈感，這樣他和他所做的工作就可以幫助更多人?！薄猅oma Morris

非常感謝 Opentrons，讓我在開(kāi)發(fā)定制解決方案的時(shí)候能夠訪問(wèn)所有參數(shù)和步驟。此外，由于 Opentrons 的開(kāi)源特性，讓我可以集成其他定制模塊以同步運(yùn)行。2018 年中旬，我準(zhǔn)備整合一個(gè)額外的硬件模塊以構(gòu)建更復(fù)雜的工作站。通過(guò)概念構(gòu)思、分析和方案設(shè)計(jì)，我最終提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的、更容易被其他實(shí)驗(yàn)室采納的研究概念。這花了一些時(shí)間，但最終，我找到了將這個(gè)概念納入我的博士研究的方法。多虧了 OT-1，我的博士研究已經(jīng)演變?yōu)閷?zhuān)注于 3D 細(xì)胞培養(yǎng)工作流程的自動(dòng)化解決方案的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

行使集會(huì)權(quán)利——自動(dòng)化

Sebastian 的概念展示了一種流水線式的做法，以用戶友好的方式執(zhí)行實(shí)驗(yàn)室所需的基本步驟，便于其他實(shí)驗(yàn)室采用。

他使用鋁制框架和丙烯酸板，自己負(fù)責(zé)電氣工程、焊接和組裝，獨(dú)立制作一個(gè)外殼。然后，他設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了可互相替換的硬件模塊，包括一個(gè)存儲(chǔ)模塊，用于存放待處理的孔板，以增加吞吐量；一個(gè)交聯(lián)劑模塊，用于啟動(dòng)水凝膠的光聚合；以及一個(gè)運(yùn)輸模塊，用于通過(guò)系統(tǒng)移動(dòng)和定位孔板。

與獨(dú)立的自動(dòng)化移液平臺(tái)不同，所有組件完全組裝到外殼中，并配合OT-1，基座就可以自動(dòng)將樣本輸送到各個(gè)模塊中。（單擊此處查看正在運(yùn)行的系統(tǒng)。）

在一個(gè)系統(tǒng)中，各個(gè)模塊的組合可以實(shí)現(xiàn)一組特定的功能。

現(xiàn)在他正在回饋社會(huì)。

Opentrons的愿景也激勵(lì)了我們，我們?cè)敢庾裱瑯拥拈_(kāi)源理念。關(guān)于如何使用正位移移液器與OT-1配合使用的所有文件，包括修訂的軟件腳本用于“獲取吸頭”功能的10行代碼，以及用于3D打印或激光切割移液器支架的圖案，現(xiàn)在都可以通過(guò)GitHub免費(fèi)訪問(wèn)。

Opentrons一直樂(lè)于助人，他們非常支持我的工作。

如今，Sebastian 正在進(jìn)行他的博士研究的最后一次實(shí)驗(yàn)。他的研究結(jié)果的摘要已經(jīng)發(fā)表在《HardwareX》上，這是一份同行評(píng)審的開(kāi)源獲取科學(xué)期刊，專(zhuān)門(mén)致力于科學(xué)儀器的開(kāi)放源代碼設(shè)計(jì)和構(gòu)建，這也將成為他今年晚些時(shí)候提交的博士論文的一章。

第二個(gè)原型的硬件開(kāi)發(fā)也已經(jīng)完成，運(yùn)行狀況良好。在會(huì)議上，看到其他科學(xué)家對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的熱情以及其他博士生在自己的研究中采用該系統(tǒng)的熱情，這真的令人感到興奮。Opentrons一直樂(lè)于助人，并支持我的工作。在訪問(wèn)紐約期間，我有機(jī)會(huì)向Toma, Will Canine（聯(lián)合創(chuàng)始人和首席產(chǎn)品官）和 Alfie Umbhau （產(chǎn)品總監(jiān)）展示我的概念。他們都很熱情，并提供了額外的支持和見(jiàn)解。尤其感謝Toma，他幫助我整合和開(kāi)發(fā)了我自己的API。沒(méi)有他的幫助，這個(gè)項(xiàng)目就不會(huì)達(dá)到現(xiàn)在的階段。我非常感激！