Развитие высокого

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22652 (2022) Цитировать эту статью

3090 Доступов

8 Альтметрика

Подробности о метриках

Применение 3D-печати в биологических исследованиях предоставило сообществу тканевой инженерии метод организации клеток и биологических материалов в сложные трехмерные структуры. Хотя существует множество коммерческих платформ биопечати, они дороги и варьируются от 5000 до более 1 000 000 долларов. Такая высокая стоимость входа не позволяет многим лабораториям включать 3D-биопечать в свои исследования. Из-за того, что настольные пластиковые 3D-принтеры имеют открытый исходный код, альтернативным вариантом стало преобразование недорогих пластиковых принтеров в биопринтеры. Было описано несколько модификаций с открытым исходным кодом, но остается потребность в удобном для пользователя пошаговом руководстве по преобразованию термопластического принтера в биопринтер с использованием компонентов с проверенными характеристиками. Здесь мы преобразуем недорогой 3D-принтер FlashForge Finder в биопринтер, используя наш шприцевой насос Replistruder 4 и Duet3D Duet 2 WiFi, общая стоимость которых составляет менее 900 долларов США. Мы демонстрируем, что точность перемещения биопринтера превышает 35 мкм по всем трем осям, и количественно оцениваем точность, печатая коллагеновые каркасы с квадратной решеткой со средними ошибками менее 2%. Мы также демонстрируем высокоточное воспроизведение данных клинических изображений, напечатав каркас человеческого уха с использованием коллагеновых биочернил. Наконец, чтобы максимизировать доступность и возможность настройки, все компоненты, которые мы разработали для преобразования биопринтера, предоставляются в виде 3D-моделей с открытым исходным кодом, а также инструкции по дальнейшей модификации биопринтера для дополнительных вариантов использования, в результате чего получается подробное руководство для области биопечати.

Аддитивное производство произвело революцию во многих отраслях, поскольку оно обеспечивает изготовление сложных 3D-деталей, быструю итерацию проектирования, недорогую индивидуальную настройку и использование растущего спектра материалов инженерного класса1. Этот переход был поддержан исследователями, разрабатывающими новые методологии 3D-печати, и компаниями, производящими 3D-принтеры промышленного масштаба для печати в порошковом слое, полимеризации в чане, струйной печати связующего и экструзии материалов (например, экструзии термопластичных нитей). 3D-биопечать может внести аналогичные улучшения с использованием некоторых из этих методов2,3,4 в область тканевой инженерии путем создания клеточных конструкций и потенциально функциональных тканей и органов5,6,7,8. Вместо полимеров, металлов или керамики при 3D-биопечати печатаются биочернила, где термин «биочернила», используемый здесь, включает клеточные суспензии высокой плотности, синтетические и природные гидрогели, гидрогели с содержанием клеток, чернила из биоматериалов и их комбинации. . Однако, поскольку 3D-биопечать все еще находится на стадии исследований и разработок, барьеры на пути широкого внедрения ограничивают инновации. Главным среди этих препятствий является высокая стоимость коммерческих платформ для 3D-биопечати исследовательского уровня, которая колеблется от 5000 до более 1 000 000 долларов. При таких ценах обычно требуется покупка капитального оборудования и выделенные средства, что ограничивает доступ к основным объектам и хорошо финансируемым исследовательским лабораториям. Кроме того, многие из этих платформ 3D-биопечати трудно модифицировать для индивидуальных приложений без дополнительных затрат, они имеют ограниченную совместимость с новыми биоматериалами и используют запатентованное программное обеспечение для печати и закрытую аппаратную экосистему.

Решение этих проблем появилось благодаря сообществу 3D-печати с открытым исходным кодом, которое началось в начале 2000-х годов и ускорилось с истечением срока действия национальных и международных патентов на моделирование наплавлением (FDM) в 20099 году. Впервые 3D-печать пластиком вышла из относительно дорогая технология, использующая запатентованное оборудование и материалы, в которых доминируют крупные компании, а также движение за открытый исходный код, стимулируемое стартапами и недорогими 3D-принтерами, которые может использовать каждый. Еще в 2012 году исследователи начали превращать эти недорогие термопластические принтеры, которые постоянно совершенствовались сообществом разработчиков программного обеспечения с открытым исходным кодом, в биопринтеры, способные давать высококачественные результаты за цену на десятки тысяч долларов меньше, чем коммерческие альтернативы. Аналогичным образом, ранние работы над созданием 3D-биопринтеров по индивидуальному заказу, такие как проект fab@home в Корнелле, показали потенциал создания платформ с открытым исходным кодом при относительно низких затратах10. За этот период наша исследовательская группа преобразовала широкий спектр термопластических принтеров с открытым исходным кодом (например, MakerBot Replicator, LulzBot Mini 2, PrintrBot Simple Metal, FlashForge Creator Pro, MakerGear M2) в высокопроизводительные 3D-биопринтеры11,12,13. Это позволило нам использовать высококачественную 3-осевую систему движения, которая уже есть в этих принтерах с открытым исходным кодом, при этом нам нужно было только добавить компоненты, такие как экструдер со шприцевым насосом, специально необходимый для биопечати клеток и жидких биочернил. Кроме того, в нашем подходе для привода экструдера со шприцевым насосом биопринтера используется тот же шаговый двигатель, что и в оригинальном экструдере термопластического принтера. Это означает, что можно использовать несколько высококачественных пакетов программного обеспечения с открытым исходным кодом для нарезки 3D-моделей в G-код и для управления процессом печати, как при печати пластиком.