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

沒想到簡單的設(shè)備訂購，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)校的組織工程實驗室訂購了一臺 Opentrons OT-1機(jī)器人。正是這臺 Opentrons OT-1 自動化移液平臺讓他獲得了實驗室自動化博士學(xué)位。本期為大家分享他的 Opentrons 使用經(jīng)歷。

“作為一名工程師，你常常會思考很多事物是可以自動化的”

在德國南部出生和長大的 Sebastian 在慕尼黑工業(yè)大學(xué)獲得了機(jī)械工程碩士學(xué)位，同時也在基于生物學(xué)和化學(xué)的實驗室工作過。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模擬人體細(xì)胞，同時也在設(shè)計和構(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人類產(chǎn)生的影響。

然而，不用說對數(shù)百種藥物進(jìn)行篩選，哪怕只對一種藥物進(jìn)行篩選，都可能涉及數(shù)百萬個乏味、耗時且令人頭腦麻木的移液步驟。

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

這就是他當(dāng)時所做的。2017 年 12 月，他得到了教授的許可，為實驗室購入了一臺 OT-1 移液工作站，用于這些常規(guī)工作的自動化執(zhí)行。

我們可以根據(jù)應(yīng)用需求定制協(xié)議。當(dāng)時我?guī)缀蹩梢哉f是沒有任何預(yù)期和經(jīng)驗。博士生通常不會訂購大型實驗室設(shè)備！但是因為我有工程背景，所以對自動化技術(shù)相對容易理解，并開始嘗試編程。

可適應(yīng)的編碼是 Sebastian 選擇較舊的 OT-1 移液平臺，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，我們必須堅持使用它們的軟件和 API，無法訪問它們的協(xié)議參數(shù)。但是，Opentrons 為我們提供了免費、開源的軟件，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)我看到通常手動使用的移液器突然開始自動分配和吸取，這個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，粘性液體會緩慢地移動到吸頭，并產(chǎn)生氣泡。此外，吸頭往往會殘留一些材料。您可以購買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，但這類設(shè)備價格昂貴。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，從而實現(xiàn)粘性液體的自動化移液，同時確保了移液效率和可重復(fù)性。

僅這一項創(chuàng)新就已經(jīng)是一項顯著的成就，但對于 Sebastian 來說，這只是他創(chuàng)造力和博士課題的開始。

在我開始博士研究時，我構(gòu)思了一個模塊化的開源工作站的概念，其中移液是吸取和分配的基本模塊。我們根據(jù)我的概念購買了 OT-1。從我拿到 OT-1 開始，Opentrons 的開源愿景就激發(fā)了我的博士研究的靈感。我對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)充他的硬件專業(yè)知識。

“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，讓我在開發(fā)定制解決方案的時候能夠訪問所有參數(shù)和步驟。此外，由于 Opentrons 的開源特性，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)備整合一個額外的硬件模塊以構(gòu)建更復(fù)雜的工作站。通過概念構(gòu)思、分析和方案設(shè)計，我最終提出了一個簡單的、更容易被其他實驗室采納的研究概念。這花了一些時間，但最終，我找到了將這個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Ｗ⒂?3D 細(xì)胞培養(yǎng)工作流程的自動化解決方案的設(shè)計和開發(fā)。

行使集會權(quán)利——自動化

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)行實驗室所需的基本步驟，便于其他實驗室采用。

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，獨立制作一個外殼。然后，他設(shè)計并開發(fā)了可互相替換的硬件模塊，包括一個存儲模塊，用于存放待處理的孔板，以增加吞吐量；一個交聯(lián)劑模塊，用于啟動水凝膠的光聚合；以及一個運(yùn)輸模塊，用于通過系統(tǒng)移動和定位孔板。

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

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

現(xiàn)在他正在回饋社會。

Opentrons的愿景也激勵了我們，我們愿意遵循同樣的開源理念。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GitHub免費訪問。

Opentrons一直樂于助人，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驗。他的研究結(jié)果的摘要已經(jīng)發(fā)表在《HardwareX》上，這是一份同行評審的開源獲取科學(xué)期刊，專門致力于科學(xué)儀器的開放源代碼設(shè)計和構(gòu)建，這也將成為他今年晚些時候提交的博士論文的一章。

第二個原型的硬件開發(fā)也已經(jīng)完成，運(yùn)行狀況良好。在會議上，看到其他科學(xué)家對這個項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一直樂于助人，并支持我的工作。在訪問紐約期間，我有機(jī)會向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解。尤其感謝Toma，他幫助我整合和開發(fā)了我自己的API。沒有他的幫助，這個項目就不會達(dá)到現(xiàn)在的階段。我非常感激！