斯坦福大學開發出低成本開源生物打印機，實現多材料和高通量DIW
時間：2025-01-10 11:21 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：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，已成為用途最廣泛的 3D 打印技術之一，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 可適應各種材料粘度和化學性質，在組織工程、機器人技術和材料科學中具有不可估量的價值。盡管具有巨大潛力，但現有的 DIW 系統價格過高，價格從 10,000 美元到 200,000 美元不等。這些系統通常是閉源的，限制了研究人員修改硬件或軟件以適應特定應用的能力。
2025年1月9日，為了應對上述挑戰，斯坦福大學團隊開發的 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 打印機能夠實現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，在研究和教育領域的廣泛應用鋪平了道路。
DIW 背后的技術
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、儲能和結構工程等領域的應用開辟了機會。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、輕質晶格和仿生組織的必備技術。然而，用于生物打印的傳統 DIW 打印機價格昂貴，并且依賴專有生態系統，限制了其靈活性和許多用戶的可訪問性。
商業 DIW 系統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無法使用。此外，這些系統通常建立在封閉平臺上，限制用戶修改硬件或試驗非常規材料。即使是開源解決方案也常常依賴于經過修改的現成組件，這增加了成本和復雜性，同時降低了適應性。這些限制凸顯了對自下而上、可定制的設計的需求，這種設計既經濟高效又用途廣泛。
Printess介紹
Printess 是一個開源 DIW 平臺，旨在讓先進的 3D 打印技術普及化。Printess 由六個線性執行器、一個微控制器以及價格低廉的 3D 打印和激光切割部件構成，結構緊湊、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。與商業替代品不同，Printess 允許用戶根據自己的特定需求定制其構建體積、打印頭和材料功能。所有設計文件、組裝說明和固件均可在線免費獲取，從而營造出一種協作和創新的環境。
Printess 底盤由激光切割的丙烯酸板和 3D 打印支架構成，可快速組裝和輕松定制。六個 NEMA 11 線性致動器驅動其運動，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 毫米的構建尺寸針對小規模、高精度打印進行了優化。該打印機由運行修改版 Marlin 固件的 RepRap RUMBA+ 板供電，確保與標準切片軟件兼容。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。模塊化設計確保打印機可以在一小時內組裝完畢，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 領導的團隊實施，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習，隨后進入項目階段，學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，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 代碼以及執行嵌入式 3D 生物打印以制造三葉心臟瓣膜等復雜結構。此外，學生們還熟練掌握了培養人體細胞、制備生物墨水和使用染色技術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用（例如多材料打印和核殼噴嘴設計）創建自定義噴嘴，深入研究了 3D 打印的復雜性。
這些研討會的總體學習目標是多方面的。學生不僅要掌握多材料 3D 生物打印的復雜性，還要接受生物墨水配方、細胞培養技術和顯微鏡分析方面的基礎指導。此外，他們還磨練了 3D CAD 設計和打印方法的技能，深入了解了 3D 生物打印技術的各種方法和原理。
課程進入項目階段，學生們分成五組，每組由兩到三名成員組成。他們開展的項目范圍廣泛，從開發用于自動噴嘴對準的電子傳感器到設計和制造低成本的 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新潛力。
打印性能及應用
盡管成本低廉，Printess 仍具有出色的性能。精密測試表明，其重復性為 ±5 µm，且間隙誤差最小。擠出系統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建漸變或 Janus 細絲。它還支持多材料多噴嘴打印，可實現復雜設計的高通量制造。這些功能使Printess 適用于組織工程等應用，在這些應用中，精確控制材料成分和結構至關重要。
Printess 已在多個領域展現了其實用性。在生物打印領域，它已用于創建具有高活力的載細胞結構，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域的適用性。在教育環境中，Printess 是一種有價值的教學工具，讓學生能夠探索先進的打印技術，而不受商業系統財務障礙的限制。它的模塊化設計和開源特性使其成為研討會和協作項目的理想選擇，可以促進動手學習和創新。
集成到現有框架中
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自己的特定需求調整系統。這種靈活性對于從事尖端項目的研究人員來說至關重要，因為它允許他們修改打印機以適應新穎的應用或材料。
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等領域。它的開源設計使研究人員能夠探索創新的打印模式，例如嵌入式主動混合和高通量多噴嘴陣列。從構建體積到擠出系統，打印機的每個方面都可以自定義，這確保了它能夠隨著 DIW 技術的進步而發展。
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