斯坦福大學(xué)開發(fā)出低成本開源生物打印機(jī)，實(shí)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(duì)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(jī)器人技術(shù)和材料科學(xué)中具有不可估量的價(jià)值。盡管具有巨大潛力，但現(xiàn)有的 DIW 系統(tǒng)價(jià)格過高，價(jià)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(duì)上述挑戰(zhàn)，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的 Printess 生物打印機(jī)提供了一種低成本的開源解決方案。這款售價(jià) 250 美元的 DIW 打印機(jī)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(chǔ)能和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了機(jī)會(huì)。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(jī)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(jī)價(jià)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(jìn)入門檻，尤其是對(duì)于研究人員和教育工作者而言。它們成本高昂，小型實(shí)驗(yàn)室或教育機(jī)構(gòu)無法使用。此外，這些系統(tǒng)通常建立在封閉平臺(tái)上，限制用戶修改硬件或試驗(yàn)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(shí)降低了適應(yīng)性。這些限制凸顯了對(duì)自下而上、可定制的設(shè)計(jì)的需求，這種設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)高效又用途廣泛。

Printess介紹

Printess 是一個(gè)開源 DIW 平臺(tái)，旨在讓先進(jìn)的 3D 打印技術(shù)普及化。Printess 由六個(gè)線性執(zhí)行器、一個(gè)微控制器以及價(jià)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(yùn)動(dòng)精度為 10 µm，支持先進(jìn)的 DIW 模式，例如多材料梯度、嵌入式打印和主動(dòng)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(jì)文件、組裝說明和固件均可在線免費(fèi)獲取，從而營(yíng)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(gè) NEMA 11 線性致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，可精確控制 x、y 和 z 軸以及兩個(gè)注射泵擠出機(jī)的擠出。80 毫米 x 80 毫米 x 80 毫米的構(gòu)建尺寸針對(duì)小規(guī)模、高精度打印進(jìn)行了優(yōu)化。該打印機(jī)由運(yùn)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�？蛇x功能（例如加熱打印床和觸摸屏控制）進(jìn)一步增強(qiáng)了多功能性。模塊化設(shè)計(jì)確保打印機(jī)可以在一小時(shí)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(xiàng)目由 MarkSkylar-Scott 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)實(shí)施，在 making@stanford 的支持下，率先開展了 BIOE 261：3D 生物打印實(shí)驗(yàn)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(shí)踐研討會(huì)，為期十周，前五周專門用于沉浸式動(dòng)手學(xué)習(xí)，隨后進(jìn)入項(xiàng)目階段，學(xué)生以三人為一組合作開展研究項(xiàng)目。

在整個(gè)課程中，Skylar-Scott 舉辦了六場(chǎng)研討會(huì)，旨在讓學(xué)生掌握 3D 生物打印的基本技能和知識(shí)。這些研討會(huì)提供了各個(gè)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(jī)、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(xì)胞、制備生物墨水和使用染色技術(shù)評(píng)估打印組織中的細(xì)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(jì)）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(huì)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(xì)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(jì)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(jìn)入項(xiàng)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(xiàng)目范圍廣泛，從開發(fā)用于自動(dòng)噴嘴對(duì)準(zhǔn)的電子傳感器到設(shè)計(jì)和制造低成本的 3D 打印螺旋分配器。值得注意的是，一些團(tuán)隊(duì)涉足前沿研究，例如 3D 打印人類心臟細(xì)胞以構(gòu)建帶瓣膜的生物泵，展示了 BIOE 261：3D 生物打印實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jī)的多材料功能包括主動(dòng)混合，即實(shí)時(shí)組合兩種或多種材料以創(chuàng)建漸變或 Janus 細(xì)絲。它還支持多材料多噴嘴打印，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)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(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)了其實(shí)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(xì)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(kuò)大了它在儲(chǔ)能和機(jī)器人領(lǐng)域的適用性。在教育環(huán)境中，Printess 是一種有價(jià)值的教學(xué)工具，讓學(xué)生能夠探索先進(jìn)的打印技術(shù)，而不受商業(yè)系統(tǒng)財(cái)務(wù)障礙的限制。它的模塊化設(shè)計(jì)和開源特性使其成為研討會(huì)和協(xié)作項(xiàng)目的理想選擇，可以促進(jìn)動(dòng)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(tái)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(rèn)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(duì)于從事尖端項(xiàng)目的研究人員來說至關(guān)重要，因?yàn)樗�允許他們修改打印機(jī)以適應(yīng)新穎的應(yīng)用或材料。

通過降低先進(jìn) 3D 打印的入門成本，Printess將徹底改變組織工程、軟機(jī)器人和材料科學(xué)等領(lǐng)域。它的開源設(shè)計(jì)使研究人員能夠探索創(chuàng)新的打印模式，例如嵌入式主動(dòng)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(jī)的每個(gè)方面都可以自定義，這確保了它能夠隨著 DIW 技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。