Come costruire un’incubatrice per cellule

La biologia dilettantistica è un movimento in crescita che rende la biologia accessibile al di fuori dei contesti professionali. Negli ultimi anni, sono state progettate piattaforme come OpenPCR e Pearl Biotech transilluminator per supportare il lavoro di biologia nelle scuole e negli spazi dei maker a una frazione del costo delle attrezzature di laboratorio professionali. Questi entusiasmanti sviluppi aprono la strada alla ricerca di biologia in crowdsourcing tra studenti, hobbisti e non esperti. In questo articolo, vedremo come costruire un’incubatrice per cellule, utile per molti esperimenti di biologia dilettantistica.

Un’incubatrice è uno strumento essenziale per una serie di esperimenti biologici ed è spesso utilizzata negli esperimenti di colture cellulari batteriche o eucariotiche (ad es. di mammiferi). Data l’elevata fascia di prezzo degli incubatori disponibili in commercio (migliaia di euro), gli appassionati di biologia non professionale potrebbero non permettersi di aggiungere un’incubatrice al proprio stock di strumenti fai-da-te. Qui descriviamo come costruire un’incubatrice a basso costo (meno di 100 euro) e di facile utilizzo, ma accurata (+/- 1 °C), utilizzando materiali semplici e alcuni componenti elettronici di base.

Le incubatrici biologiche sono una parte vitale dell’attrezzatura necessaria per la crescita di molti tipi di cellule. Esse sono onnipresenti in qualsiasi laboratorio di biologia cellulare o laboratorio di biologia dilettantistica e, nella loro essenza, sono semplicemente scatole calde e umide con regolazione della temperatura e dell’atmosfera. Le incubatrici per coltura batterica sono economiche e facili da trovare perché sono essenzialmente scatole calde e umide, ed esistono molti progetti fai-da-te a riguardo. Esse sono ideali per chiunque voglia crescere, modificare geneticamente e manipolare i batteri.

Tuttavia, se si vuole coltivare cellule di mammiferi (ad es. cellule umane, cellule di topo, etc.), sono necessarie incubatrici che controllino sia la temperatura che il contenuto di anidride carbonica (CO2) dell’atmosfera. Mantenere una concentrazione atmosferica di CO2 del 5% è, infatti essenziale per mantenere il pH dei comuni terreni di coltura di cellule di mammifero. Ci sono alcune incubatrici indipendenti dalla CO2 presenti sul mercato, ma possono essere costose, le cellule non sembrano mai crescere molto bene e spesso sembrano “un po’ buffe”.

Un esempio di incubatrice autocostruita per la coltura di cellule di mammifero che utilizza un’atmosfera modificata con aggiunta di CO2. 

Il principio di funzionamento dell’incubatrice

Le incubatrici più semplici sono scatole isolati termicamente con un riscaldatore regolabile, in genere fino a 60-65 °C, anche se alcune possono arrivare a temperature leggermente più alte (generalmente non oltre i 100 °C). La temperatura più comunemente usata per le cellule di batteri come l’E. Coli, spesso utilizzate, è di circa 37 °C, poiché questi organismi crescono bene in tali condizioni. Hanno anche bisogno di un sistema di circolazione dell’aria per un’equa distribuzione del calore nella scatola. Non è difficile realizzare una semplice incubatrice che mantiene 37 °C usando materiali facilmente reperibili.

L’obiettivo dell’incubatrice è di mantenere una temperatura costante al suo interno. Al livello più elementare, utilizziamo un sensore di temperatura e una lampadina al tungsteno come elemento riscaldante: in pratica, una vecchia lampadina a incandescenza o, essendo queste ormai fuori commercio, una lampadina alogena. La quantità di calore emessa da questi tipi di lampadine è proporzionale alla potenza applicata alla lampadina. Quindi, possiamo controllare la temperatura all’interno dell’incubatore semplicemente controllando l’ingresso in corrente alternata fornito alla lampadina.

Il cambiamento di temperatura all’interno dell’incubatore è proporzionale alla quantità di calore emessa dal bulbo di tungsteno meno la perdita di calore attraverso le pareti dell’incubatrice. In altre parole, per aumentare la temperatura, la lampadina deve emettere più calore rispetto alla perdita di calore attraverso le pareti. Una volta raggiunta la temperatura desiderata, la lampadina dovrebbe emettere la stessa quantità di calore di quella persa. Dunque, è necessario realizzare un circuito di controllo per mantenere la temperatura costante una volta raggiunta la temperatura desiderata.

In pratica, è possibile usare una lampadina a incandescenza come elemento riscaldante, o una alogena di potenza leggermente superiore (in quanto scalda un po’ meno), un portalampada e una scatola di polistirolo come materiale isolante. Il circuito di controllo dovrà essere adeguato al tipo di lampadina usato (ad es. le alogene dei lumi da tavolo sono alimentate a 12 V a valle di un trasformatore). Con una simile incubatrice fai-da-te è possibile, ad esempio, fare esperimenti coltivando il batterio E.Coli nel proprio laboratorio casalingo a una temperatura costante di 37,0 °C per il tempo necessario.

Un circuito automatico per il controllo della temperatura completo di sensore che oggi è possibile trovare in commercio (ne trovate di similari qui).

Un’incubatrice per colture di cellule batteriche

Fondamentalmente, per realizzare un’incubatrice per colture cellulari batteriche occorrono: (1) Una scatola di polistirolo (non conduce calore); (2) Un elemento riscaldante (lampadina, piastra riscaldante, etc.); (3) Ventole tipo quelle usate nei computer (numero e dimensioni dipendono delle dimensioni della scatola); (4) Un termometro (in grado di misurare tra 20 °C e 100 °C); (5) Un adattatore 12V (per l’alimentazione dei ventilatori); (6) Del filo conduttore (con adattatore per ventilatori); (7) Nastro isolante.

La scatola di polistirolo è una scatola isolata termicamente che mantiene il calore chiuso dentro. L’elemento riscaldante viene introdotto nella scatola per produrre calore. I ventilatori dell’armadio sono utilizzati per far circolare il calore all’interno e mantenere la stessa temperatura ovunque nella scatola. Un termometro viene introdotto nella scatola attraverso un foro di montaggio praticato nella scatola per misurare la temperatura all’interno. il buco è quindi ben sigillato e isolato.

Né l’elemento riscaldante né la ventola devono essere troppo vicini al termometro. I ventilatori e l’elemento riscaldante devono essere posizionati in modo tale da raggiungere la temperatura desiderata (non così facile come sembra). Una volta finalizzato il posizionamento, attaccate le ventole e la fonte di calore sul posto usando una buona colla. La scatola deve essere sigillata con nastro adesivo in modo da non lasciare spazio a nessuno scambio di aria. L’incubatrice è pronta per l’uso.

Il modo più semplice per realizzare una incubatrice in grado di mantenere una temperatura costante è quello di effettuare una regolazione manuale agendo sulla potenza elettrica fornita all’elemento riscaldante (tipicamente, una lampadina). Infatti, dopo un certo periodo di tempo (fase transiente), la temperatura all’interno della scatola tenderà ad assestarsi a un determinato valore, che possiamo portare nell’intervallo voluto agendo opportunamente sulla regolazione di potenza in modo manuale.

Un altro esempio di incubatrice autocostruita per esperimenti di biologia.

Senza usare una regolazione (manuale o automatica) della potenza dell’elemento scaldante, trovare il giusto equilibrio non è affatto facile. Ad esempio, se si usa una scatola di polistirolo, una lampadina a incandescenza da 75 watt e una ventola posizionata esattamente di fronte alla lampadina, nonché uno  strato di carta stagnola posto all’interno della scatola per aumentare l’isolamento della stessa, la temperatura può salire fino a 105 °C e causare la rottura della lampadina.

Senza regolazione automatica della temperatura, va quindi eliminata l’idea di usare la carta stagnola. Usando una lampadina da 40 watt con 3 ventole posizionate in modo tale che l’aria circoli in modo uniforme attraverso la scatola, la temperatura può salire fino a 40 °C nei primi 20 minuti e poi rimanere costante a 60 °C. Poiché fare un buco nella scatola al fine di far fuoriuscire un po’ di calore potrebbe far entrare microbi nell’incubatrice, occorre usare un bulbo di potenza inferiore.

Dunque, a meno che non si abbia la fortuna di trovare esattamente un bulbo della potenza necessaria, è occorre potere regolare la potenza della lampadina. Trovare la giusta regolazione non è difficile. Dopo appena una mezz’ora di funzionamento, infatti, grazie alla ventola (o alle ventole, se più d’una) la temperatura all’interno della scatola si stabilizza a un valore distante solo 2-3 °C dal valore finale costante, che viene raggiunto dopo circa 1 ora dall’accensione dell’apparato ben sigillato.

Per regolare la potenza di una lampadina alogena, basta usare un dimmer, commerciale o autocostruito. Tutte le lampadine alogene possono essere “dimmerate” e trovare un dimmer per le lampadine alogene online (ad esempio qui) dovrebbe essere facile. La maggior parte dei dimmer, inoltre, è compatibile con le lampadine alogene. Se la lampadina e il dimmer sono compatibili, la lampadina sarà in grado di attenuarsi alla maggior parte delle frequenze, ma a costo di una vita più breve.

Alcuni esempi di dimmer per lampadine alogene in commercio (vedi qui).

Comunque, le lampadine alogene hanno una vita molto più lunga rispetto a quelle tradizionali a incandescenza tradizionali. L’alogena è una lampadina a incandescenza con un filamento di tungsteno, ma riempita con gas alogeno (a differenza della tradizionali lampadine a incandescenza). Quando il bulbo si riscalda, il tungsteno dal filamento evapora attraverso il gas alogeno nel bulbo e si deposita all’interno della “parete” di vetro. Il gas alogeno trasporta le particelle di tungsteno di nuovo sul filamento.

Alcune precauzioni importanti. Non mettete le ventole davanti al riscaldatore poiché altrimenti la sua temperatura costante scenderà nel tempo. Non utilizzate un termometro normale, non può misurare una temperatura molto elevata e potrebbe scoppiare. Se per caso il termometro si rompe e il mercurio si rovescia, smaltitelo senza toccarlo direttamente. Spegnete l’alimentazione principale prima di effettuare i collegamenti elettrici. Fate funzionare l’incubatrice per almeno mezz’ora prima dell’uso.

Regolazione automatica della temperatura

Chiaramente, avere un circuito elettronico per la regolazione automatica della temperatura renderà la nostra incubatrice molto più professionale e ci darà maggior sicurezza che la temperatura non si discosterà nel corso del tempo da quella desiderata, soprattutto in caso di nostra assenza. Di seguito, forniamo alcune  informazioni come punto di partenza per i vostri progetti di un sistema di regolazione automatico della temperatura, che può venire realizzato con una spesa assai modesta.

Infatti, un’incubatrice fai-da-te basata sulla descrizione precedente, utilizzante una lampadina a tungsteno per il riscaldamento e un termometro elettronico quale sensore per la misurazione della temperatura, può venire completata con un sistema per impostare e controllare automaticamente la temperatura. Quest’ultimo è basato solitamente su una scheda di controllo (tipo Arduino) che controlla per quanto tempo la lampadina si deve accendere / spegnere in base alla lettura del sensore.

Tuttavia, potrebbe essere più semplice ancora realizzare un circuito elettronico di controllo della temperatura che non utilizzi una scheda di controllo (e relativo software, per quanto relativamente semplice e già realizzato da altri), ma solo alcuni componenti elettronici. In rete potete trovare numerosi esempi di circuiti di questo tipo (cerca “diy controller incubator”). La figura qui sotto ne mostra uno, che abbiamo scelto perché particolarmente semplice da realizzare.

Schema di un semplice circuito elettronico di controllo della temperatura.

Il circuito in questione è, fondamentalmente, un termostato che può essere utilizzato per controllare vari tipi di dispositivi di riscaldamento (o raffreddamento). Le potenziali applicazioni includono, oltre all’incubatrice biologica oppure di uova, il controllo del calore nelle serre, l’apertura di finestre, l’alimentazione di ventilatori automatici che si inseriscono solo quando necessario, il raffreddamento e il riscaldamento domestici, l’aria condizionata, il riscaldamento dell’ambiente, e qualsiasi apparecchiatura elettrica che necessiti di un termostato per controllarla tra le temperature di -20 °C e +125 °C.

Il circuito fa uso di un piccolo componente chiamato “termistore”, che fornisce una risposta molto più accurata al cambiamento di temperatura rispetto ai tradizionali termostati meccanici. Scegli questo circuito, a meno che non sia necessario guidare un relè o altro carico più pesante che assorba più di 50 mA. Il circuito in questione può venire alimentato anche, volendo, con piccole batterie e usa pochissimi componenti, grazie alle straordinarie caratteristiche del circuito integrato LM311: in particolare, non è necessario alcun transistor separato per l’attivazione di molte comuni bobine relè.

L’LM 311 è un chip comparatore: questi circuiti funzionano confrontando una tensione impostata con una variabile prodotta dal termistore, inversamente sensibile alla temperatura. Il 311, però, è molto sensibile e, a meno che non venga fornito un feedback significativo, il rumore elettrico casuale tenderà a farlo oscillare. In pratica, ciò significa dovere regolare il trimmer VR2 per ottenere un minimo di circa 1 °C di isteresi a 25 °C (l’isteresi è l’intervallo tra i punti in cui il circuito si accende e si spegne, ovvero il range “accettabile”). Un grado di isteresi è accettabile per un’incubatrice di cellule batteriche e per molti altri usi.

È anche possibile controllare l’alimentazione in corrente alternata AC della lampadina scaldante con una isteresi di soli 0,5 °C, usando il meccanismo cosiddetto “di controllo di fase AC”: ad es. realizzando il circuito di controllo di fase AC con una scheda Arduino Uno, un amplificatore di termocoppia (ad es. Max31855 di Adafruit), una termocoppia di tipo K e uno schermo LCD (ad es. Olimex Shield 16 × 2 LCD con 4 pulsanti), come illustrato qui. Se sei un principiante, per lavorare con l’alimentazione di rete (230 V), potrebbe essere una buona idea consultare qualcuno che ha una buona esperienza con essa affinché ti aiuti.

Il circuito di controllo della fase AC da interfacciare alla scheda Arduino.

Nel controllo di fase AC, si controlla la potenza in ingresso fornita al carico (nel nostro caso la lampadina al tungsteno) consentendo di fornirla solo per una parte di ogni mezzo ciclo del segnale AC. Ciò è in qualche modo simile alla Modulazione a larghezza d’impulso (PWM) in corrente continua (DC). Ma, differenza delle alimentazioni DC, dove la tensione è costante in un dato momento, la tensione di un’alimentazione AC segue una forma d’onda sinusoidale. Pertanto, occorre conoscere la posizione attuale nel ciclo AC prima di consentirgli di alimentare il carico per raggiungere la potenza di uscita desiderata.

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