斯坦福大學(xué)開發(fā)出低成本開源生物打印機，實現(xiàn)多材料和高通量DIW

導(dǎo)讀：直接墨水書寫 (DIW) 是一種主要用于生物打印的材料擠出 (MEX) 3D 打印技術(shù)，已成為用途最廣泛的 3D 打印技術(shù)之一，特別是對于軟材料和生物材料。與立體光刻 (SLA) 或噴墨打印不同，DIW 可適應(yīng)各種材料粘度和化學(xué)性質(zhì)，在組織工程、機器人技術(shù)和材料科學(xué)中具有不可估量的價值。盡管具有巨大潛力，但現(xiàn)有的 DIW 系統(tǒng)價格過高，價格從 10,000 美元到 200,000 美元不等。這些系統(tǒng)通常是閉源的，限制了研究人員修改硬件或軟件以適應(yīng)特定應(yīng)用的能力。

2025年1月9日，南極熊獲悉，為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，斯坦福大學(xué)團隊開發(fā)的 Printess 生物打印機提供了一種低成本的開源解決方案。這款售價 250 美元的 DIW 打印機能夠?qū)崿F(xiàn)多材料和高通量打印，具有非凡的精度、可訪問性和多功能性，在研究和教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。

DIW 背后的技術(shù)

DIW 是一種 3D 打印方法，其中材料以受控方式逐層沉積。與 SLA 或熔融沉積成型 (FDM) 不同，DIW 允許使用粘彈性和生物墨水，這為生物打印、儲能和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了機會。DIW 能夠處理從水凝膠到彈性體等各種材料，已成為制造軟機器人、輕質(zhì)晶格和仿生組織的必備技術(shù)。然而，用于生物打印的傳統(tǒng) DIW 打印機價格昂貴，并且依賴專有生態(tài)系統(tǒng)，限制了其靈活性和許多用戶的可訪問性。

商業(yè) DIW 系統(tǒng)存在很大的進入門檻，尤其是對于研究人員和教育工作者而言。它們成本高昂，小型實驗室或教育機構(gòu)無法使用。此外，這些系統(tǒng)通常建立在封閉平臺上，限制用戶修改硬件或試驗非常規(guī)材料。即使是開源解決方案也常常依賴于經(jīng)過修改的現(xiàn)成組件，這增加了成本和復(fù)雜性，同時降低了適應(yīng)性。這些限制凸顯了對自下而上、可定制的設(shè)計的需求，這種設(shè)計既經(jīng)濟高效又用途廣泛。

Printess介紹

Printess 是一個開源 DIW 平臺，旨在讓先進的 3D 打印技術(shù)普及化。Printess 由六個線性執(zhí)行器、一個微控制器以及價格低廉的 3D 打印和激光切割部件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕且易于組裝。其運動精度為 10 µm，支持先進的 DIW 模式，例如多材料梯度、嵌入式打印和主動混合。與商業(yè)替代品不同，Printess 允許用戶根據(jù)自己的特定需求定制其構(gòu)建體積、打印頭和材料功能。所有設(shè)計文件、組裝說明和固件均可在線免費獲取，從而營造出一種協(xié)作和創(chuàng)新的環(huán)境。

Printess 底盤由激光切割的丙烯酸板和 3D 打印支架構(gòu)成，可快速組裝和輕松定制。六個 NEMA 11 線性致動器驅(qū)動其運動，可精確控制 x、y 和 z 軸以及兩個注射泵擠出機的擠出。80 毫米 x 80 毫米 x 80 毫米的構(gòu)建尺寸針對小規(guī)模、高精度打印進行了優(yōu)化。該打印機由運行修改版 Marlin 固件的 RepRap RUMBA+ 板供電，確保與標(biāo)準(zhǔn)切片軟件兼容。可選功能（例如加熱打印床和觸摸屏控制）進一步增強了多功能性。模塊化設(shè)計確保打印機可以在一小時內(nèi)組裝完畢，新手用戶和專家都可以使用它。

生物打印@斯坦福

Printess 項目由 MarkSkylar-Scott 領(lǐng)導(dǎo)的團隊實施，在 making@stanford 的支持下，率先開展了 BIOE 261：3D 生物打印實驗室，這是一門綜合課程，吸引了 13 名學(xué)生，包括本科生、碩士生和博士生。BIOE 261 課程包括理論講座和實踐研討會，為期十周，前五周專門用于沉浸式動手學(xué)習(xí)，隨后進入項目階段，學(xué)生以三人為一組合作開展研究項目。

在整個課程中，Skylar-Scott 舉辦了六場研討會，旨在讓學(xué)生掌握 3D 生物打印的基本技能和知識。這些研討會提供了各個方面的分步指導(dǎo)，包括從套件中組裝和配置 3D 生物打印機、生成用于多材料打印的 G 代碼以及執(zhí)行嵌入式 3D 生物打印以制造三葉心臟瓣膜等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。此外，學(xué)生們還熟練掌握了培養(yǎng)人體細胞、制備生物墨水和使用染色技術(shù)評估打印組織中的細胞行為。值得注意的是，他們還通過為多種應(yīng)用（例如多材料打印和核殼噴嘴設(shè)計）創(chuàng)建自定義噴嘴，深入研究了 3D 打印的復(fù)雜性。

這些研討會的總體學(xué)習(xí)目標(biāo)是多方面的。學(xué)生不僅要掌握多材料 3D 生物打印的復(fù)雜性，還要接受生物墨水配方、細胞培養(yǎng)技術(shù)和顯微鏡分析方面的基礎(chǔ)指導(dǎo)。此外，他們還磨練了 3D CAD 設(shè)計和打印方法的技能，深入了解了 3D 生物打印技術(shù)的各種方法和原理。

課程進入項目階段，學(xué)生們分成五組，每組由兩到三名成員組成。他們開展的項目范圍廣泛，從開發(fā)用于自動噴嘴對準(zhǔn)的電子傳感器到設(shè)計和制造低成本的 3D 打印螺旋分配器。值得注意的是，一些團隊涉足前沿研究，例如 3D 打印人類心臟細胞以構(gòu)建帶瓣膜的生物泵，展示了 BIOE 261：3D 生物打印實驗室所培育的創(chuàng)新潛力。

打印性能及應(yīng)用

盡管成本低廉，Printess 仍具有出色的性能。精密測試表明，其重復(fù)性為 ±5 µm，且間隙誤差最小。擠出系統(tǒng)支持各種注射器尺寸，可打印各種粘度的材料。該打印機的多材料功能包括主動混合，即實時組合兩種或多種材料以創(chuàng)建漸變或 Janus 細絲。它還支持多材料多噴嘴打印，可實現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計的高通量制造。這些功能使Printess 適用于組織工程等應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，精確控制材料成分和結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

Printess 已在多個領(lǐng)域展現(xiàn)了其實用性。在生物打印領(lǐng)域，它已用于創(chuàng)建具有高活力的載細胞結(jié)構(gòu)，為組織工程研究提供了一種低成本的替代方案。它能夠打印光固化水凝膠和熱固化彈性體，這擴大了它在儲能和機器人領(lǐng)域的適用性。在教育環(huán)境中，Printess 是一種有價值的教學(xué)工具，讓學(xué)生能夠探索先進的打印技術(shù)，而不受商業(yè)系統(tǒng)財務(wù)障礙的限制。它的模塊化設(shè)計和開源特性使其成為研討會和協(xié)作項目的理想選擇，可以促進動手學(xué)習(xí)和創(chuàng)新。

集成到現(xiàn)有框架中

Printess 與廣泛使用的軟件和硬件平臺無縫集成。它與 Windows 和 macOS 操作系統(tǒng)兼容，并支持 Pronterface 等圖形界面，便于操作。使用廣受認可的開源固件可確保用戶能夠根據(jù)自己的特定需求調(diào)整系統(tǒng)。這種靈活性對于從事尖端項目的研究人員來說至關(guān)重要，因為它允許他們修改打印機以適應(yīng)新穎的應(yīng)用或材料。

通過降低先進 3D 打印的入門成本，Printess將徹底改變組織工程、軟機器人和材料科學(xué)等領(lǐng)域。它的開源設(shè)計使研究人員能夠探索創(chuàng)新的打印模式，例如嵌入式主動混合和高通量多噴嘴陣列。從構(gòu)建體積到擠出系統(tǒng)，打印機的每個方面都可以自定義，這確保了它能夠隨著 DIW 技術(shù)的進步而發(fā)展。