《科學(xué)報(bào)告》：一種高性能開源3D生物打印機(jī)的研制，具有高保真度，易修改性！

導(dǎo)讀：3D打印在生物研究中的應(yīng)用為組織工程界提供了一種組織3D構(gòu)建方法。目前，雖然存在許多商業(yè)生物打印平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)室將3D生物打印納入他們的研究。由于臺(tái)式塑料3D打印機(jī)的開源特性，研究人員將低成本的塑料打印機(jī)轉(zhuǎn)換為生物打印機(jī)。目前，市面上已經(jīng)存在了幾種開源的3D生物打印機(jī)，現(xiàn)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(jī)轉(zhuǎn)換為生物打印機(jī)。


為此，來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究者們將一臺(tái)低成本的3D打印機(jī)FlashForge Finder轉(zhuǎn)換為生物打印機(jī)。他們的研究成果已經(jīng)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(jī)的研制》）。



研究者們此次研發(fā)的生物打印機(jī)在三個(gè)坐標(biāo)方向的行程精度都小于35微米，并通過打印正方形點(diǎn)陣膠原支架來量化保真度，結(jié)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(jī)能夠以高保真度復(fù)制臨床成像數(shù)據(jù)。最后，為了最大化可訪問性和可定制性，為生物打印機(jī)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的所有組件都以開源3D模型的形式提供，并提供了進(jìn)一步修改的說明。


將塑料打印機(jī)改裝成生物打印機(jī)


△將塑料打印機(jī)轉(zhuǎn)換為生物打印機(jī)的步驟

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

●接下來，打印機(jī)附帶的熱塑性擠出機(jī)用Replistruder 4替換，這是一種開源、高性能的注射器泵擠出機(jī)。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(jìn)行組裝。

●托架平臺(tái)設(shè)計(jì)安裝在打印機(jī)現(xiàn)有的直線運(yùn)動(dòng)部件上，并為Replistruder 4提供安裝點(diǎn)。

●預(yù)裝的熱塑性打印頭安裝在Finder上。

3D生物打印機(jī)機(jī)械性能


△打印機(jī)行程的測(cè)量和校正

打印機(jī)修改完成后，需要測(cè)量X、Y和Z軸的行程精度和尺寸，以確定3D生物打印機(jī)的構(gòu)建體積。經(jīng)測(cè)量，打印機(jī)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(zhǔn)后的生物打印機(jī)行程最大誤差為35微米，最壞情況下的重復(fù)性為65微米。而校準(zhǔn)前位置誤差呈線性增加，校準(zhǔn)后誤差顯著減小。如果沒有這種校準(zhǔn)，或者至少?zèng)]有誤差的測(cè)量，就不可能確定打印結(jié)構(gòu)中的缺陷是由于打印機(jī)本身還是影響打印質(zhì)量的其他因素造成的。

評(píng)估生物打印機(jī)打印保真度


△打印尺寸精確的網(wǎng)格和復(fù)雜形狀

3D生物打印機(jī)通常不能量化打印構(gòu)件的保真度和分辨率，因?yàn)樗鼈儾荒芤越咏�系統(tǒng)機(jī)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(shù)方面的進(jìn)步，如FRESH13，現(xiàn)在可以進(jìn)行分辨率接近20μm的擠壓生物打印。為了展示生物打印機(jī)的打印性能，研發(fā)人員制造了一個(gè)由1000和500μm間距組成的方形格子支架設(shè)計(jì)，以測(cè)量從I型膠原生物墨水打印時(shí)的準(zhǔn)確性，同時(shí)還打印了較為復(fù)雜的3D形狀-耳朵支架。

檢測(cè)結(jié)果顯示，第一個(gè)打印零件，即方形格子支架，其1000和500微米網(wǎng)格與它們的預(yù)期尺寸非常匹配，存在的輕微偏差可認(rèn)為是打印后的后處理影響。第二個(gè)零件，即耳朵支架，表明此款生物打印機(jī)可以制造更復(fù)雜的3D形狀，經(jīng)定量測(cè)量分析證實(shí)，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(jī)發(fā)布的結(jié)果相似。轉(zhuǎn)換后的3D生物打印機(jī)能夠準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)化為生物3D打印機(jī)，研究者們希望這臺(tái)3D生物打印機(jī)可以作為一個(gè)起點(diǎn)，說明開放科學(xué)對(duì)研究進(jìn)展加速的影響，以及將低成本和高性能的科學(xué)工具提供給盡可能多的研究人員和實(shí)驗(yàn)室的重要性。

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