《科學報告》：一種高性能開源3D生物打印機的研制，具有高保真度，易修改性！

導讀：3D打印在生物研究中的應用為組織工程界提供了一種組織3D構建方法。目前，雖然存在許多商業(yè)生物打印平臺，但它們都很昂貴，從5000美元到100多萬美元不等。這種高昂的入門成本阻礙了許多實驗室將3D生物打印納入他們的研究。由于臺式塑料3D打印機的開源特性，研究人員將低成本的塑料打印機轉換為生物打印機。目前，市面上已經存在了幾種開源的3D生物打印機，現在需要一些具體操作指示，使得所有人都能將熱塑性打印機轉換為生物打印機。


為此，來自卡內基梅隆大學的研究者們將一臺低成本的3D打印機FlashForge Finder轉換為生物打印機。他們的研究成果已經表在了《Scientific reports》，題目為《Development of a high‑performance open‑source 3D bioprinter》（《一種高性能開源3D生物打印機的研制》）。



研究者們此次研發(fā)的生物打印機在三個坐標方向的行程精度都小于35微米，并通過打印正方形點陣膠原支架來量化保真度，結果顯示，平均誤差小于2%。研究者們還展示了使用膠原蛋白生物墨水打印人耳支架，從而證明該打印機能夠以高保真度復制臨床成像數據。最后，為了最大化可訪問性和可定制性，為生物打印機轉換設計的所有組件都以開源3D模型的形式提供，并提供了進一步修改的說明。


將塑料打印機改裝成生物打印機


△將塑料打印機轉換為生物打印機的步驟

塑料打印機的電子和控制系統(tǒng)要么需要通過改裝來適應生物打印，要么需要更換：
●研發(fā)人員將專有的FlashForge Finder運動控制電路板替換為開源Duet 2 WiFi運動控制電路板，提高運動控制性能。

●接下來，打印機附帶的熱塑性擠出機用Replistruder 4替換，這是一種開源、高性能的注射器泵擠出機。Replistruder 4的大部分部件都可以用塑料3D打印出來，并使用常見的硬件進行組裝。

●托架平臺設計安裝在打印機現有的直線運動部件上，并為Replistruder 4提供安裝點。

●預裝的熱塑性打印頭安裝在Finder上。

3D生物打印機機械性能


△打印機行程的測量和校正

打印機修改完成后，需要測量X、Y和Z軸的行程精度和尺寸，以確定3D生物打印機的構建體積。經測量，打印機X軸行程為105毫米，Y軸行程為150毫米，Z軸行程為50毫米，總打印體積為787.5立方厘米。校準后的生物打印機行程最大誤差為35微米，最壞情況下的重復性為65微米。而校準前位置誤差呈線性增加，校準后誤差顯著減小。如果沒有這種校準，或者至少沒有誤差的測量，就不可能確定打印結構中的缺陷是由于打印機本身還是影響打印質量的其他因素造成的。

評估生物打印機打印保真度


△打印尺寸精確的網格和復雜形狀

3D生物打印機通常不能量化打印構件的保真度和分辨率，因為它們不能以接近系統(tǒng)機械限制的方式打印生物墨水。然而，隨著在嵌入式生物打印技術方面的進步，如FRESH13，現在可以進行分辨率接近20μm的擠壓生物打印。為了展示生物打印機的打印性能，研發(fā)人員制造了一個由1000和500μm間距組成的方形格子支架設計，以測量從I型膠原生物墨水打印時的準確性，同時還打印了較為復雜的3D形狀-耳朵支架。

檢測結果顯示，第一個打印零件，即方形格子支架，其1000和500微米網格與它們的預期尺寸非常匹配，存在的輕微偏差可認為是打印后的后處理影響。第二個零件，即耳朵支架，表明此款生物打印機可以制造更復雜的3D形狀，經定量測量分析證實，使用膠原生物墨水獲得的保真度與使用其他3D生物打印機發(fā)布的結果相似。轉換后的3D生物打印機能夠準確地運動和高保真地打印所需的幾何圖形。

展望
通過此次成功將塑料打印機轉化為生物3D打印機，研究者們希望這臺3D生物打印機可以作為一個起點，說明開放科學對研究進展加速的影響，以及將低成本和高性能的科學工具提供給盡可能多的研究人員和實驗室的重要性。

原文連接：https://doi.org/10.1038/s41598-022-26809-4