《科学报告》：一种高性能开源3D生物打印机的研制，具有高保真度，易修改性！

导读：3D打印在生物研究中的应用为组织工程界提供了一种组织3D构建方法。目前，虽然存在许多商业生物打印平台，但它们都很昂贵，从5000美元到100多万美元不等。这种高昂的入门成本阻碍了许多实验室将3D生物打印纳入他们的研究。由于台式塑料3D打印机的开源特性，研究人员将低成本的塑料打印机转换为生物打印机。目前，市面上已经存在了几种开源的3D生物打印机，现在需要一些具体操作指示，使得所有人都能将热塑性打印机转换为生物打印机。


为此，来自卡内基梅隆大学的研究者们将一台低成本的3D打印机FlashForge Finder转换为生物打印机。他们的研究成果已经表在了《Scientific reports》，题目为《Development of a high‑performance open‑source 3D bioprinter》（《一种高性能开源3D生物打印机的研制》）。



研究者们此次研发的生物打印机在三个坐标方向的行程精度都小于35微米，并通过打印正方形点阵胶原支架来量化保真度，结果显示，平均误差小于2%。研究者们还展示了使用胶原蛋白生物墨水打印人耳支架，从而证明该打印机能够以高保真度复制临床成像数据。最后，为了最大化可访问性和可定制性，为生物打印机转换设计的所有组件都以开源3D模型的形式提供，并提供了进一步修改的说明。


将塑料打印机改装成生物打印机


△将塑料打印机转换为生物打印机的步骤

塑料打印机的电子和控制系统要么需要通过改装来适应生物打印，要么需要更换：
●研发人员将专有的FlashForge Finder运动控制电路板替换为开源Duet 2 WiFi运动控制电路板，提高运动控制性能。

●接下来，打印机附带的热塑性挤出机用Replistruder 4替换，这是一种开源、高性能的注射器泵挤出机。Replistruder 4的大部分部件都可以用塑料3D打印出来，并使用常见的硬件进行组装。

●托架平台设计安装在打印机现有的直线运动部件上，并为Replistruder 4提供安装点。

●预装的热塑性打印头安装在Finder上。

3D生物打印机机械性能


△打印机行程的测量和校正

打印机修改完成后，需要测量X、Y和Z轴的行程精度和尺寸，以确定3D生物打印机的构建体积。经测量，打印机X轴行程为105毫米，Y轴行程为150毫米，Z轴行程为50毫米，总打印体积为787.5立方厘米。校准后的生物打印机行程最大误差为35微米，最坏情况下的重复性为65微米。而校准前位置误差呈线性增加，校准后误差显著减小。如果没有这种校准，或者至少没有误差的测量，就不可能确定打印结构中的缺陷是由于打印机本身还是影响打印质量的其他因素造成的。

评估生物打印机打印保真度


△打印尺寸精确的网格和复杂形状

3D生物打印机通常不能量化打印构件的保真度和分辨率，因为它们不能以接近系统机械限制的方式打印生物墨水。然而，随着在嵌入式生物打印技术方面的进步，如FRESH13，现在可以进行分辨率接近20μm的挤压生物打印。为了展示生物打印机的打印性能，研发人员制造了一个由1000和500μm间距组成的方形格子支架设计，以测量从I型胶原生物墨水打印时的准确性，同时还打印了较为复杂的3D形状-耳朵支架。

检测结果显示，第一个打印零件，即方形格子支架，其1000和500微米网格与它们的预期尺寸非常匹配，存在的轻微偏差可认为是打印后的后处理影响。第二个零件，即耳朵支架，表明此款生物打印机可以制造更复杂的3D形状，经定量测量分析证实，使用胶原生物墨水获得的保真度与使用其他3D生物打印机发布的结果相似。转换后的3D生物打印机能够准确地运动和高保真地打印所需的几何图形。

展望
通过此次成功将塑料打印机转化为生物3D打印机，研究者们希望这台3D生物打印机可以作为一个起点，说明开放科学对研究进展加速的影响，以及将低成本和高性能的科学工具提供给尽可能多的研究人员和实验室的重要性。

原文连接：https://doi.org/10.1038/s41598-022-26809-4