Desarrollo de un alto | Cojinetes de plástico inc.

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 22652 (2022) Citar este artículo

3090 Accesos

8 Altmetric

Detalles de métricas

La aplicación de la impresión 3D a la investigación biológica ha proporcionado a la comunidad de ingeniería de tejidos un método para organizar células y materiales biológicos en estructuras 3D complejas. Si bien existen muchas plataformas comerciales de bioimpresión, son costosas y oscilan entre $ 5000 y más de $ 1,000,000. Este alto costo de entrada impide que muchos laboratorios incorporen la bioimpresión 3D en su investigación. Debido a la naturaleza de código abierto de las impresoras 3D de plástico de escritorio, una opción alternativa ha sido convertir las impresoras de plástico de bajo costo en bioimpresoras. Se han descrito varias modificaciones de código abierto, pero sigue existiendo la necesidad de una guía paso a paso fácil de usar para convertir una impresora termoplástica en una bioimpresora utilizando componentes con un rendimiento validado. Aquí convertimos una impresora 3D de bajo costo, FlashForge Finder, en una bioimpresora usando nuestra bomba de jeringa Replistruder 4 y Duet3D Duet 2 WiFi por un costo total de menos de $900. Demostramos que la precisión del viaje de la bioimpresora es mejor que 35 µm en los tres ejes y cuantificamos la fidelidad imprimiendo andamios de colágeno de celosía cuadrada con errores promedio de menos del 2%. También mostramos una reproducción de alta fidelidad de datos de imágenes clínicas mediante la impresión de un andamio de un oído humano con biotinta de colágeno. Finalmente, para maximizar la accesibilidad y la personalización, todos los componentes que hemos diseñado para la conversión de la bioimpresora se proporcionan como modelos 3D de código abierto, junto con instrucciones para modificar aún más la bioimpresora para casos de uso adicionales, lo que da como resultado una guía completa para el campo de la bioimpresión.

La fabricación aditiva ha revolucionado múltiples industrias porque permite la fabricación de piezas 3D complejas, la iteración rápida del diseño, la personalización de bajo costo y el uso de una gama cada vez mayor de materiales de grado de ingeniería1. Esta transición ha sido respaldada por investigadores que desarrollan nuevas metodologías de impresión 3D y empresas que producen impresoras 3D a escala industrial para impresión en lecho de polvo, polimerización en cuba, inyección de aglomerante y extrusión de materiales (p. ej., extrusión de filamentos termoplásticos). La bioimpresión 3D tiene el potencial de traer mejoras similares, utilizando algunas de estas técnicas2,3,4, al campo de la ingeniería de tejidos mediante la construcción de construcciones celularizadas y tejidos y órganos potencialmente funcionales5,6,7,8. En lugar de polímeros, metales o cerámicas, en la bioimpresión 3D lo que se imprime es la biotinta, donde el término biotinta, como se usa aquí, incluye lodos de células de alta densidad, hidrogeles sintéticos y naturales, hidrogeles cargados de células, tintas de biomateriales y combinaciones de los mismos. . Sin embargo, debido a que la bioimpresión 3D aún se encuentra principalmente en la etapa de investigación y desarrollo, las barreras para la adopción generalizada sirven para limitar la innovación. La principal de estas barreras es el alto costo de las plataformas comerciales de bioimpresión 3D de grado de investigación, que oscilan entre $ 5000 y más de $ 1,000,000. En estos puntos de precio, generalmente se requiere una compra de equipo de capital y fondos dedicados, lo que limita el acceso a instalaciones centrales y laboratorios de investigación bien financiados. Además, muchas de estas plataformas de bioimpresión 3D son difíciles de modificar para aplicaciones personalizadas sin incurrir en costos adicionales, tienen compatibilidad limitada con nuevos biomateriales y utilizan software de impresión patentado y un ecosistema de hardware cerrado.

Una solución para estos problemas surgió con la comunidad de impresión 3D de código abierto que comenzó a principios de la década de 2000 y se aceleró con la expiración de las patentes nacionales e internacionales sobre modelado por deposición fundida (FDM) en 20099. Por primera vez, la impresión 3D de plástico pasó de una técnica relativamente costosa, que utiliza equipos y materiales patentados dominados por grandes empresas, hasta un movimiento de código abierto impulsado por empresas emergentes e impresoras 3D económicas que cualquiera podría usar. Ya en 2012, los investigadores comenzaron a convertir estas impresoras termoplásticas de bajo costo, que la comunidad de código abierto mejoraba continuamente, en bioimpresoras capaces de producir resultados de alta calidad por decenas de miles de dólares menos que las alternativas comerciales. Del mismo modo, los primeros trabajos sobre bioimpresoras 3D personalizadas, como el proyecto fab@home en Cornell, mostraron el potencial de construir plataformas de código abierto a un costo relativamente bajo10. Durante este período, nuestro grupo de investigación convirtió una amplia gama de impresoras termoplásticas de código abierto (por ejemplo, MakerBot Replicator, LulzBot Mini 2, PrintrBot Simple Metal, FlashForge Creator Pro, MakerGear M2) en bioimpresoras 3D de alto rendimiento11,12,13. Esto nos ha permitido aprovechar el sistema de movimiento de 3 ejes de alta calidad que ya tienen estas impresoras de código abierto mientras solo necesitamos agregar los componentes, como la extrusora de bomba de jeringa, específicamente necesarios para las células de bioimpresión y las biotintas líquidas. Además, nuestro enfoque utiliza el mismo motor paso a paso del extrusor de filamento original de la impresora termoplástica para impulsar el extrusor de bomba de jeringa de la bioimpresora. Esto significa que se pueden usar múltiples paquetes de software de código abierto de alta calidad para dividir modelos 3D en código G y controlar el proceso de impresión, al igual que en la impresión de plástico.

Si bien ha habido varias publicaciones que describen modificaciones de bioimpresoras 3D, incluidas las extrusoras que hemos diseñado12,14, en general, el campo carece de una guía completa para construir una plataforma de bioimpresoras 3D de código abierto completa y personalizable utilizando componentes validados y probados15,16,17, 18,19,20. Aquí, describimos la modificación de una impresora 3D termoplástica de bajo costo que está ampliamente disponible, en una bioimpresora de menos de $ 1000. Desde 2018, llevamos a cabo un taller de bioimpresión 3D de código abierto con asistencia internacional en la Universidad Carnegie Mellon, donde los participantes construyen su propia bioimpresora, aprenden a usarla para la bioimpresión 3D de hidrogel suspendido (FRESH) Reversible Embedding de forma libre y luego recuperan las bioimpresoras. a sus instituciones de origen para futuras investigaciones. Estos esfuerzos han servido para validar nuestros diseños y modificaciones de bioimpresoras y guías paso a paso para una variedad de antecedentes de usuarios y niveles de experiencia, y han producido múltiples publicaciones de alto impacto21,22,23,24,25,26,27. Si bien aquí usamos un FlashForge Finder como impresora, el enfoque que describimos se adapta fácilmente a casi cualquier impresora 3D de extrusión de código abierto y de bajo costo en el mercado. Para hacer esto, hemos creado instrucciones que requieren un conocimiento mínimo de electrónica o fabricación mecánica, y utilizamos componentes de impresora de código abierto publicados anteriormente y extrusoras de bomba de jeringa capaces de producir construcciones impresas de alta calidad14. Para garantizar una fácil adopción y personalización futura, reemplazamos la placa de circuito de control de movimiento patentada del Finder con Duet 2 WiFi, una placa de control de movimiento de código abierto, altamente adaptable, fácil de usar y muy bien documentada de Duet3D. También equipamos la impresora con nuestra bomba de jeringa de código abierto Replistruder 4, que se basa en casi una década de diseños de nuestro laboratorio y que se ha utilizado en múltiples estudios publicados12,14,21. El resultado final es una bioimpresora 3D de bajo costo con un rendimiento igual o mejor que las alternativas comerciales y con un alto grado de personalización de hardware y software que es fundamental para imprimir nuevas biotintas y desarrollar aplicaciones avanzadas.

Al convertir una impresora 3D de plástico en una bioimpresora, hay una secuencia de pasos que generalmente ocurren en el mismo orden (Fig. 1). En primer lugar, la electrónica y el sistema de control de la impresora de plástico deben adaptarse a la bioimpresión mediante modificaciones o deben reemplazarse por una alternativa. La placa de circuito de control de movimiento patentada FlashForge Finder (Fig. 2A, rectángulo verde) se reemplaza con la placa de circuito de control de movimiento WiFi Duet 2 de código abierto (Fig. 2B, rectángulo azul). Esto se hace para mejorar el rendimiento del control de movimiento, proporcionar acceso WiFi y facilitar la personalización rápida del firmware a través de la interfaz basada en web de Duet sin necesidad de utilizar software adicional. Las instrucciones paso a paso para este proceso están diseñadas para FlashForge Finder y se pueden adaptar para la mayoría de las impresoras 3D de escritorio (los detalles se proporcionan en la guía de ensamblaje complementaria, las figuras complementarias S1–S15 y los archivos de configuración WiFi de Duet2 proporcionados). A continuación, la extrusora de termoplásticos que venía con la impresora se reemplaza por la Replistruder 4, una extrusora de bomba de jeringa de código abierto y alto rendimiento que hemos desarrollado anteriormente14. La mayoría de las piezas del Replistruder 4 se imprimen fácilmente en 3D de plástico y se ensamblan utilizando hardware comúnmente disponible (Fig. 2C). Se diseñó una plataforma de carro para encajar en los componentes de movimiento lineal existentes de la impresora y proporcionar un punto de montaje para la Replistruder 4. Este carro del eje X tiene alojamientos para los rodamientos ya montados en los rieles lineales del eje X, así como canales para enrutar y retener la correa del eje X que impulsa el movimiento a lo largo del eje. Además, se incorporan cuatro puntos de montaje con tuercas hexagonales M3 empotradas para permitir que el Replistruder 4 se acople al carro del eje X (Fig. 2D). El cabezal de impresión termoplástico que viene preinstalado en el Finder se reemplaza con el ensamblaje del carro del eje X/Replistruder 4 (Fig. 2E, F, detalles en la guía de ensamblaje complementaria y Figs. complementarias S16–S23). Al completar estos pasos, el Replistruder 4 (Fig. 2G, flecha azul) se monta en el eje X de la impresora en el carro del eje X (Fig. 2G flecha amarilla), y los motores se conectan al Duet 2 WiFi, que se coloca en el gabinete posterior de la bioimpresora (Fig. 2H, flecha verde). Con estas modificaciones, FlashForge Finder se transforma en una bioimpresora de código abierto con una extrusora de alto rendimiento y un sistema de control de movimiento.

Pasos para convertir una impresora de plástico en una bioimpresora. El cabezal de impresión de la extrusora de plástico y la placa de control de movimiento de la impresora de plástico se cambian a una extrusora de bomba de jeringa y una placa de control WiFi Duet2, respectivamente. Luego, Duet2 WiFi se configura para ejecutar una bioimpresora. Para bioimprimir, el modelo 3D deseado se corta en la ruta de la máquina (código G generado con el software Cura Ultimaker) y luego Duet Web Control ejecuta la impresión utilizando el biotinta deseado. Figura creada en parte con BioRender.com.

Convertir el buscador FlashForge en una bioimpresora. (A) La placa de control de movimiento original y el cableado (rectángulo verde). (B) La placa de control de movimiento se reemplaza con la placa de control de movimiento Duet 2 WiFi (rectángulo azul). (C) La extrusora de bomba de jeringa Replistruder 4 está impresa y ensamblada. (D) El carro del eje X para el FlashForge Finder está impreso en 3D y el Replistruder 4 está montado en él. (E) Vista de arriba hacia abajo del cabezal de impresión del extrusor de plástico del Finder que se va a quitar. (F) Vista de arriba hacia abajo del Replistruder 4 después de montarlo en la impresora. (G) Vista adicional que muestra que el cabezal de impresión de la extrusora de plástico se reemplazó con una extrusora de bomba de jeringa Replistruder 4 (flecha azul) montada en un carro del eje X personalizado (flecha amarilla). (H) El Duet 2 WiFi está montado en una caja impresa en 3D cubierta en el gabinete trasero del Finder (flecha verde).

Duet 2 WiFi ofrece varias ventajas clave sobre las placas de circuito de control de movimiento estándar que se encuentran en FlashForge Finder y otras impresoras 3D de escritorio de bajo costo. En primer lugar, la interfaz web basada en Wi-Fi de Duet permite un acceso sencillo desde el navegador al movimiento de la impresora, el almacenamiento y la transferencia de archivos, los ajustes de configuración y las actualizaciones de firmware. Esto contrasta con la mayoría de las impresoras 3D, en las que el proceso de edición de los ajustes de configuración requiere actualizar el firmware de la placa de control de movimiento mediante un software de terceros. Esto puede ser desafiante e intimidante para un usuario sin experiencia y puede provocar cambios accidentales o corrupción del firmware. En segundo lugar, el Duet 2 agrega muchas mejoras de control de movimiento avanzadas que incluyen (i) un controlador electrónico de 32 bits, (ii) controladores paso a paso Trinamic TMC2260 de alto rendimiento, (iii) control de movimiento mejorado con hasta 256 × microstepping para 5 ejes, (iv) ) salida de alta corriente del motor de 2,8 A para generar mayor potencia, (v) un lector de tarjetas microSD incorporado para almacenamiento de firmware y transferencia de archivos, y (vi) placas de expansión que agregan compatibilidad para 5 ejes adicionales, servocontroladores, calentadores de extrusora, hasta 16 conexiones de E/S adicionales y soporte para una computadora de placa única Raspberry Pi. Finalmente, la configuración en línea de Duet 2 WiFi y la documentación de soporte son exhaustivas, se actualizan periódicamente y cuentan con el respaldo de un foro de usuarios activo. Si bien brindamos una guía paso a paso para los aspectos de hardware de esta conversión y la configuración básica de Duet 2 WiFi, aquellos que deseen realizar modificaciones adicionales deben consultar la documentación oficial de Duet3D. Juntas, estas características brindan un control de movimiento de alta precisión y una amplia capacidad de expansión con una interfaz web fácil de usar que permite una personalización rápida y un rendimiento mejorado más allá de las impresoras plásticas de escritorio estándar.

Después de la conversión, se midieron los límites de recorrido de los ejes X, Y y Z para determinar el volumen de construcción de la bioimpresora 3D. Para el eje X, el recorrido es de 105 mm, para el eje Y, el recorrido es de 150 mm y para el eje Z, el recorrido es de 50 mm, lo que da como resultado un volumen total de construcción de 787,5 cm3 (Fig. 3A). Para un sistema de movimiento impulsado por un motor paso a paso, como esta bioimpresora 3D y la mayoría de las impresoras 3D comerciales, el parámetro de control más importante que afecta el rendimiento es la calibración de pasos por mm para cada uno de los tres ejes. Este número determina cuántos pulsos, o pasos, deben enviarse a los motores paso a paso que impulsan cada eje para moverlos con precisión un milímetro cada uno. Para los ejes X e Y, que son accionados por correa, la fórmula para esto es $pasos/mm=(pasos/rotación\veces micropasos)/(paso de la correa\veces dientes de polea)$. Para el Finder, estos parámetros son el paso nominal de la correa de transmisión (2 mm), el número de dientes en la polea del motor (17 dientes), el número de pasos en una rotación completa del motor (200 pasos) y el número de micropasos que Duet 2 WiFi interpola entre los pasos completos (establecido en 64 micropasos). En este caso, los pasos/mm nominales para los ejes X e Y son 376,5. Para el eje Z, que utiliza un tornillo de avance, la fórmula es $pasos/mm=(pasos/rotación\veces micropasos)/(paso del tornillo\veces arranques del tornillo)$. El buscador utiliza un tornillo de avance de paso de 2 mm y 4 inicios, por lo que los pasos nominales/mm para 16 × micropasos son 400 pasos/mm.

Medición y corrección de recorridos de impresora. (A) El recorrido del eje X es de 105 mm, el recorrido del eje Y es de 150 mm y el recorrido del eje Z es de 50 mm. (B) El error de recorrido del eje X a través de una ventana de 10 mm antes de la corrección (rojo) y después de la corrección (azul). (C) El error de recorrido del eje Y a través de una ventana de 10 mm antes de la corrección (rojo) y después de la corrección (azul). (D) El error de recorrido del eje Z a través de una ventana de 10 mm antes de la corrección (rojo) y después de la corrección (azul).

Al comparar el rendimiento de la bioimpresora 3D, hay varias especificaciones clave a considerar que se relacionan directamente con la calidad de impresión. La mayoría de las impresoras 3D termoplásticas proporcionan especificaciones de resolución, que se define como el paso más pequeño que la impresora puede dar en cualquier dirección. Los números informados para FlashForge Finder y varias bioimpresoras populares disponibles comercialmente se pueden encontrar en la Tabla 1. Las especificaciones adicionales relacionadas con el sistema de movimiento son el error de posición, que se define como la desviación absoluta de la ubicación actual del cabezal de impresión de la ubicación prevista, y repetibilidad, que se define como la máxima desviación absoluta en la posición medida desde la posición media medida cuando se intenta alcanzar esa posición varias veces. Estas métricas más sofisticadas están en gran medida ausentes en el espacio de bioimpresión y pueden variar entre impresoras individuales según los componentes mecánicos y la precisión del ensamblaje. Además, la resolución proporcionada en las especificaciones de la bioimpresora son generalmente ideales en función de las dimensiones nominales de los engranajes, poleas y tornillos utilizados para ensamblar el sistema de movimiento. Ninguno de los fabricantes mencionados anteriormente proporciona medidas de resolución real, es decir, error en toda la distancia de viaje o repetibilidad. Estas mediciones se proporcionan comúnmente con plataformas de movimiento de gama ultra alta, como las de Aerotech y Physik Instrumente28,29. Para determinar y luego optimizar el rendimiento real de estos sistemas basados en impresoras 3D de bajo costo, es necesario medir el recorrido con una herramienta externa.

Para verificar que los valores nominales de pasos/mm fueran correctos, cuantificamos el error de posición de nuestro sistema a lo largo de cada eje cerca del centro de recorrido con una precisión de 2 µm. Para el eje X, hubo un subdesplazamiento sistemático usando los pasos nominales/mm (Fig. 3B, curva roja). Utilizando el error máximo a 10 mm de recorrido, determinamos el número de pasos perdidos por mm y corregimos el valor, y con estos pasos/mm corregidos, el error de recorrido promedio sobre la ventana de 10 mm fue de 7,9 µm (Fig. 3B, curva azul) . Para el eje Y hubo un subdesplazamiento sistemático usando los pasos nominales/mm (Fig. 3C, curva roja) y después de la corrección, se redujo a 29,1 µm (Fig. 3C, curva azul). Finalmente, para el eje Z hubo un subdesplazamiento sistemático usando los pasos nominales/mm (Fig. 3D, curva roja) y después de la corrección se redujo a 32,3 µm (Fig. 3D, curva azul). Los valores también permiten el cálculo de la repetibilidad unidireccional, que es la precisión de volver a una posición específica desde un solo lado del eje (por ejemplo, de 0 a 5 mm) y la repetibilidad bidireccional, que es la precisión de volver a una posición específica. posición desde ambos lados del eje (por ejemplo, de 0 a 5 mm y de 10 a 5 mm). Para el eje X, la repetibilidad unidireccional fue de 3,9 µm y la repetibilidad bidireccional fue de 16,4 µm. Para el eje Y, la repetibilidad unidireccional fue de 11,5 µm y la repetibilidad bidireccional fue de 63,9 µm. Para el eje Z, la repetibilidad unidireccional fue de 8,7 µm y la repetibilidad bidireccional fue de 38,7 µm. Juntas, estas medidas demuestran que con la calibración, el recorrido de nuestra bioimpresora convertida tenía un error máximo de 35 µm y una repetibilidad en las peores situaciones de 65 µm. Mientras que antes de la calibración había un error de posición que aumentaba linealmente, después de la calibración este error se reduce significativamente. Sin esta calibración, o al menos la medición de los errores, sería imposible determinar si los defectos en las construcciones impresas se deben a la propia impresora oa otros factores que afectan la calidad de la impresión.

La fidelidad y la resolución de las construcciones impresas generalmente no se cuantifican para las bioimpresoras 3D porque no pueden imprimir biotintas de una manera que se acerque a las limitaciones mecánicas de los sistemas. Sin embargo, con los avances recientes realizados en técnicas de bioimpresión integradas como FRESH13, ahora es posible realizar bioimpresión por extrusión con resoluciones cercanas a los 20 µm. Por lo tanto, para demostrar el rendimiento de impresión de la bioimpresora, generamos un diseño de andamio de celosía cuadrada que consiste en un espaciado de filamentos de 1000 y 500 µm (Fig. 4A) para medir la precisión cuando se imprime FRESCO a partir de un bioink de colágeno tipo I (Fig. 4B). Para medir el espaciado de la cuadrícula, capturamos una imagen volumétrica 3D mediante tomografía de coherencia óptica (OCT) (Fig. 4C)30, que reveló una estrecha concordancia entre las dimensiones medidas y diseñadas (Fig. 4D). A esto le siguió un diseño más complejo basado en un escaneo 3D de un oído humano adulto (Fig. 4E). Este modelo se imprimió con colágeno (Fig. 4F). Para analizar la precisión, capturamos una imagen volumétrica 3D de la oreja impresa usando OCT (Fig. 4G, Fig. S24 complementaria) 30. La reconstrucción 3D demuestra la recapitulación de las características del modelo y el análisis de medición 3D reveló una desviación de -29 ± 107 µm (media ± STD) entre el oído impreso FRESCO y el modelo 3D original (Fig. 4H)30. Juntos, estos dos ejemplos demuestran que el error promedio y la desviación estándar de los andamios impresos están dentro de las limitaciones mecánicas de la bioimpresora que construimos y a la par con las bioimpresoras comerciales31.

Impresión de cuadrículas dimensionalmente precisas y formas orgánicas. (A) Modelo de un andamio cuadriculado con rejillas de 500 μm y 1000 μm. (B) Fotografía del andamio cuadriculado impreso en colágeno tipo I. (C) Una imagen OCT de la impresión del andamio cuadriculado. (D) Análisis de la precisión de la impresión de andamio cuadriculado (media ± STD.; n = 11 mediciones para cuadrícula de 1000 µm, n = 26 mediciones para cuadrícula de 500 µm, p < 0,0001 [****] para 1000 µm en comparación con 500 µm mediante la prueba t no pareada de dos colas de Student). (E) Un modelo 3D de una oreja. (F) Una fotografía de la oreja impresa en colágeno tipo I. (G) Una imagen volumétrica OCT de la oreja impresa. (H) Medición cuantitativa de la huella del oído frente al modelo 3D original.

Aquí hemos convertido la impresora 3D de plástico FlashForge Finder en una bioimpresora 3D y hemos proporcionado instrucciones detalladas para el proceso. Si bien se han publicado varias conversiones de bioimpresoras y han brindado información útil15,16,17,18,19,20, sigue existiendo la necesidad de una guía de conversión paso a paso fácil de usar que utilice componentes que estén ampliamente disponibles y que tengan ha sido validado para funcionar con un alto nivel de rendimiento. FlashForge Finder es de bajo costo (~ $ 300) y está ampliamente disponible en todo el mundo a través de minoristas en línea, lo que garantiza que será ampliamente accesible para la comunidad de investigación. Además, utilizamos una placa de circuito de control de movimiento de impresora 3D de código abierto y bien compatible, la WiFi Duet 2 de Duet3D. Todos los componentes necesarios para la conversión están impresos en 3D en plástico, como PLA, o hardware básico de sujeción, movimiento lineal y motor ampliamente disponible. El costo total, incluidos los componentes del Replistruder 4, es inferior a $900. Además, aunque la guía paso a paso (consulte el material complementario) proporciona instrucciones específicas para FlashForge Finder, las instrucciones son generalizables y se pueden usar para convertir una amplia gama de otras impresoras 3D en bioimpresoras. Por ejemplo, hemos diseñado carros para montar el Replistruder en otras impresoras como MakerGear M2 y LulzBot Mini 2 (archivos de piezas descargables en https://doi.org/10.5281/zenodo.7496012). Juntos, estos elementos hacen que nuestra conversión sea una introducción fácil de usar para un novato y un punto de partida para conversiones y personalizaciones de impresoras 3D más avanzadas.

Esencial para el proceso de bioimpresión 3D es asegurarse de que el objeto que se está imprimiendo coincida con las dimensiones y la geometría del modelo CAD 3D de entrada. Para la extrusora de bomba de jeringa Replistruder 4, esta verificación se ha realizado en un trabajo publicado anteriormente14. Para la bioimpresora 3D construida aquí, los valores nominales para los parámetros de control de movimiento produjeron un error máximo en un rango de recorrido de 10 mm de ~ 100 µm, o ~ 1% (Fig. 3B-D). Para muchas aplicaciones de bioimpresión, esta es una precisión adecuada; sin embargo, mostramos que al calibrar más la impresora, la precisión se puede mejorar tres veces a ~ 33 µm (Fig. 3B–D). Teniendo en cuenta que la mayoría de los diámetros de las boquillas de las bioimpresoras oscilan entre 100 y 500 µm, esto producirá resultados de alta calidad para una amplia gama de aplicaciones12,13,30. Si bien el análisis del sistema de control de movimiento es importante, no proporciona una evaluación completa del rendimiento de la bioimpresora. Para una evaluación completa del rendimiento, nos guiamos por las pruebas utilizadas para el mecanizado sustractivo de alto rendimiento, donde las piezas mecanizadas se miden para demostrar la fidelidad. En la bioimpresión, se puede realizar una evaluación comparable de la fidelidad mediante la medición de las partes bioimpresas en 3D (es decir, las construcciones). Esta metodología es más relevante que solo la resolución de viaje XYZ de la impresora, porque la fidelidad de las piezas bioimpresas también depende de las interacciones químicas y materiales que ocurren durante la fabricación. Hasta donde sabemos, los fabricantes actuales de bioimpresoras no miden la fidelidad de las piezas impresas (es decir, las construcciones) hechas con sus bioimpresoras, lo que dificulta la comparación directa con nuestra bioimpresora de código abierto.

Para nuestra primera caracterización de impresión, el andamio de celosía cuadrada, las cuadrículas de 1000 y 500 µm coincidían estrechamente con sus dimensiones previstas y se cree que las ligeras desviaciones se deben al manejo posterior a la impresión de los filamentos de colágeno de 90 µm de diámetro y 1000 µm de largo. De acuerdo con este razonamiento, la cuadrícula de 500 µm, que solo se diferenciaba por tener puntos de contacto más frecuentes entre filamentos ortogonales, tenía una precisión mejorada en comparación con la cuadrícula de 1000 µm. La segunda impresión, el andamio de la oreja, mostró que la bioimpresora puede producir formas 3D más complejas y el análisis de medición cuantitativa confirmó que la fidelidad lograda con la biotinta de colágeno fue similar a nuestros resultados publicados con otras bioimpresoras 3D FRESH13,14,32. Otras características importantes de las construcciones de colágeno impresas FRESH, como la estabilidad en el tiempo y la biocompatibilidad, se han descrito ampliamente en nuestro trabajo anterior13,30,32. Estos ejemplos demuestran que la bioimpresora 3D convertida es capaz tanto de un movimiento preciso como de una impresión de alta fidelidad de la geometría prevista.

Un aspecto importante del hardware de código abierto, además de su menor costo, es la capacidad de modificar y expandir sus capacidades para aplicaciones específicas. Para la extrusora de bomba de jeringa Replistruder 4 publicada anteriormente, proporcionamos archivos completos de impresión y diseño que se modifican fácilmente en el software CAD estándar. Aquí nos basamos en esto proporcionando archivos completos de impresión y diseño para el carro del eje X y varios soportes de muestras, incluso para placas de Petri de 35 mm y placas de pocillos múltiples. Estos archivos permiten la modificación de la impresora para varios tipos y tamaños de jeringas, así como para varios contenedores de impresión. Duet 2 WiFi también permite capacidades ampliadas, incluidos calentadores y enfriadores de jeringas y cama de impresión, y sensores que se pueden controlar utilizando su implementación avanzada de código G. También se admiten herramientas adicionales, como extrusoras de bomba de jeringa múltiple, láseres, herramientas sustractivas (p. ej., molinos), conmutación de luz UV, conmutación automática de herramientas y macros de código G. Juntos, este amplio potencial de extensibilidad y modificación hace que nuestra bioimpresora 3D sea una plataforma poderosa para el desarrollo de aplicaciones avanzadas de bioimpresión 3D.

Finalmente, la bioimpresora 3D que hemos desarrollado aquí es el resultado de varios años de desarrollo, durante los cuales trabajamos con ingenieros, científicos y médicos, y los capacitamos para construir y usar estos sistemas. Se basa en el "Taller de código abierto de bioimpresión 3D" que hemos organizado en la Universidad Carnegie Mellon desde 2018, y donde hemos enseñado a aprendices de laboratorios de investigación de todo el mundo, incluidos Australia, Canadá, Israel, Japón, Corea y el Estados Unidos. La conversión de FlashForge Finder en una bioimpresora 3D descrita aquí se utilizó para los talleres de 2021 y 2022 y sirvió como base para la guía de conversión paso a paso incluida (consulte el material de apoyo). A través de esta publicación esperamos ampliar el número de investigadores que pueden aprender y beneficiarse de este esfuerzo. Además, esperamos que esta bioimpresora 3D pueda servir como ejemplo del impacto que la ciencia abierta puede tener para acelerar los avances en investigación y la importancia de poner herramientas científicas de bajo costo y alto rendimiento en manos y laboratorios de tantos investigadores como sea posible. posible.

Para medir el recorrido de la impresora con alta precisión, utilizamos un indicador Digimatic absoluto de Mitutoyo (Mitutoyo, Japón, 542-500B) con una precisión de ± 2 µm montado en una base magnética Noga para la alineación con los ejes de la impresora. Para medir un eje dado, el indicador se alineó paralelo al eje y luego se corrió hasta el recorrido completo y luego retrocedió a 100 µm menos que su recorrido completo usando los controles de la impresora en Duet Web Control (para garantizar que se tomó cualquier contragolpe en el recorrido inicial). arriba). Luego, el eje se alejó del indicador en incrementos nominales de 1 mm utilizando Duet Web Control. Se registró la posición real, tomada del indicador. Este proceso se repitió hasta completar un recorrido nominal de 10 mm, luego se invirtió el proceso hasta que la posición nominal volvió a ser 0. Se restableció la posición cero y se repitió el proceso dos veces más. A partir de estas mediciones se definió el error como la diferencia absoluta entre la posición nominal y la posición medida. La repetibilidad unidireccional fue el error para el segundo y tercer intento al regresar a cada una de las posiciones en cada dirección en comparación con el primer intento. La repetibilidad bidireccional fue el valor absoluto de la diferencia entre las mediciones reales de posición en las ubicaciones nominales emparejadas (alejándose y luego volviendo a cero).

Para calibrar los ejes, primero se ingresan los pasos/mm nominales para cada eje en el archivo de configuración de Duet WiFi 2. Se determinó el error máximo a 10 mm de recorrido de las tres pruebas, y luego se escalaron los pasos/mm para cada eje proporcionalmente al error. Es decir, si los pasos/mm nominales fueran 376,5 y hubiera un recorrido total de 9,887 mm, la corrección sería (10 mm)/(9,887 mm) × (376,5 pasos/mm) = 380,8 pasos/mm. Este proceso se repitió luego para los otros dos ejes. Después de la calibración, el proceso de medición se puede repetir para verificar la precisión.

Todos los modelos CAD en 3D para los componentes de plástico impresos de la conversión de FlashForge Finder y Replistruder 4 se generaron con Autodesk Inventor 2020 (Autodesk). Los archivos CAD y STL para Replistruder 4 se pueden descargar desde Zenodo en https://doi.org/10.5281/zenodo.4119127. Los archivos CAD y STL se pueden descargar de Zenodo en https://doi.org/10.5281/zenodo.7496012 para la conversión de bioimpresora 3D FlashForge Finder, así como archivos para convertir MakerGear M2 y Lulzbot Mini 2. El modelo de cuadrícula impreso con Se generó un espaciado de cuadrícula de 500 y 1000 µm con Autodesk Inventor 2020. El modelo de oreja se compró en http://www.cgtrader.com/ y lo generó el vendedor Sakura-pms.

El código G para los componentes de plástico impresos de la conversión Flashforge Finder y el Replistruder 4 se generaron utilizando PrusaSlicer (Prusa). Todos los modelos se imprimieron con plástico PLA al 60 % de relleno sin material de soporte. El código G para el modelo de oído se generó utilizando Cura 4.3.0 (Ultimaker). El código G para el modelo de cuadrícula se generó utilizando Simplify 3D (Simplify3D).

El baño de soporte de micropartículas de gelatina FRESH v2.0 se generó a través de un método de coacervación complejo para producir micropartículas de gelatina, basado en métodos publicados13. Brevemente, se usaron gelatina tipo B al 2,0 % (p/v) (Fisher Chemical), Pluronic® F-127 al 0,25 % (p/v) (Sigma-Aldrich) y goma arábiga al 0,1 % (p/v) (Sigma-Aldrich). disuelto en una solución de etanol al 50% (v/v) a 45 °C en un vaso de precipitados de 1 L y ajustado a pH 7,5 mediante la adición de ácido clorhídrico 1 M. Luego se usó un agitador de cabeza (IKA, Modelo RW20) para mantener la mezcla mientras se sellaba el vaso de precipitados con parafilm para minimizar la evaporación, y la mezcla se enfriaba a temperatura ambiente con agitación durante la noche. La solución resultante se transfirió a recipientes de 250 mL y se centrifugó a 300 g durante 2 min para compactar las micropartículas de gelatina. Se descartó el sobrenadante y las micropartículas de gelatina se resuspendieron en una solución de ácido 4-(2-hidroxietil)-1-piperazinaetanosulfónico (HEPES) 50 mM (Corning) a pH 7,4. Para eliminar el etanol y Pluronic® F-127, el baño de soporte de micropartículas de gelatina se lavó tres veces con la misma solución de HEPES y se almacenó hasta su uso a 4 °C. Antes de la impresión, el soporte sin compactar se centrifugó a 1000 g durante 3 min y luego se lavó con HEPES 50 mM. Después del último lavado, el baño de soporte de micropartículas de gelatina se suspendió en HEPES 50 mM, se desgasificó en una cámara de vacío durante 15 min y se centrifugó a 1900–2100 g, según el nivel de compactación deseado, durante 5 min. Finalmente, se eliminó el sobrenadante y el baño de soporte de micropartículas de gelatina se transfirió a un contenedor de impresión.

Todo biotinta de colágeno tipo I (LifeInk 200, Advanced Biomatrix). se preparó como se describió previamente13. Brevemente, el stock de LifeInk de 35 mg/mL se mezcló con jeringas en una proporción de 2:1 con ácido acético 0,24 M para producir un bioink de colágeno acidificado de 23,33 mg/mL. A continuación, el bioink se centrifugó a 3000 g durante 5 min para eliminar las burbujas. Para la impresión, la biotinta de colágeno se transfirió a una jeringa hermética a los gases de 2,5 ml (Hamilton Company).

Se adquirieron fotografías de construcciones impresas utilizando una lente de sonda Laowa de 24 mm (Venus Optics) montada en una cámara digital sin espejo Sony ILCE7M. Las pilas de imágenes 3D de OCT se adquirieron utilizando un sistema OCT Thorlabs Vega de 1300 nm con el objetivo OCT-LK4 (Thorlabs)30. Las imágenes OCT se prepararon para su visualización utilizando Fiji (ImageJ, NIH) con reducción de ruido, filtrado de mediana y ecualización de histograma de pila. Luego, las pilas de imágenes se exportaron como archivos TIF y se abrieron con 3D Slicer33. A continuación, se utilizaron las funciones de representación de volumen para producir vistas en 3D de la imagen OCT volumétrica.

El aforo se realizó como hemos descrito previamente30. Brevemente, se capturó una imagen volumétrica 3D de la construcción del oído usando OCT. Luego, la imagen se limpió y segmentó para producir una reconstrucción 3D utilizando 3D Slicer33. A continuación, la reconstrucción 3D y el modelo 3D original se importaron a CloudCompare (www.cloudcompare.com)34. En CloudCompare, los dos objetos 3D se alinearon y registraron y, luego, la reconstrucción se calculó según el modelo 3D original para determinar los errores. Los errores se calcularon como media ± STD.

Los análisis estadísticos y gráficos se realizaron utilizando Prism 9 (GraphPad) y Excel (Microsoft). Las pruebas estadísticas se eligieron en función del tamaño de la muestra experimental, la distribución y los requisitos de datos. El análisis de la impresión de cuadrícula de 1000 y 500 µm se completó utilizando Fiji (Imagen J NIH) y MATLAB (Mathworks). Para la comparación de los dos tamaños de cuadrícula se usó una prueba t de Student no pareada de dos colas.

Los archivos CAD y STL para Replistruder 4 se pueden descargar desde Zenodo en https://doi.org/10.5281/zenodo.4119127. Los archivos CAD y STL se pueden descargar desde Zenodo en https://doi.org/10.5281/zenodo.7496012 para la conversión de FlashForge Finder a la bioimpresora 3D. Cualquier dato sin procesar que no se presente en el texto principal y complementario está disponible del autor correspondiente a pedido razonable.

Attaran, M. El auge de la impresión 3D: Las ventajas de la fabricación aditiva sobre la fabricación tradicional. Autobús. Horiz. 60, 677–688 (2017).

Artículo Google Académico

Li, X. et al. Bioimpresión inkjet de biomateriales. química Rev. 120, 10793–10833 (2020).

Artículo Google Académico

Ng, WL et al. Bioimpresión basada en polimerización en tina: procesos, materiales, aplicaciones y desafíos regulatorios. Biofabricación 12, 022001 (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Jiang, T., Munguia-Lopez, JG, Flores-Torres, S., Kort-Mascort, J. & Kinsella, JM Bioimpresión por extrusión de materiales blandos: una técnica emergente para la fabricación de modelos biológicos. aplicación física Rev. 6, 011310 (2019).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Shiwarski, DJ, Hudson, AR, Tashman, JW y Feinberg, AW Surgimiento de la impresión FRESH 3D como plataforma para la biofabricación avanzada de tejidos. APL Bioing. 5, 010904 (2021).

Artículo Google Académico

Cui, H., Nowicki, M., Fisher, JP y Zhang, LG Bioimpresión 3D para la regeneración de órganos. Adv. Saludc. Mate. 6, 1601118 (2017).

Artículo Google Académico

Derakhshanfar, S. et al. Bioimpresión 3D para dispositivos biomédicos e ingeniería de tejidos: una revisión de las tendencias y avances recientes. Materia Bioactiva. 3, 144–156 (2018).

Artículo Google Académico

Heinrich, MA et al. Bioimpresión 3D: de los bancos a las aplicaciones traslacionales. Pequeño 2019, 1805510 (2019).

Artículo Google Académico

Gonzalez, C. Infografía: La historia de la impresión 3D. Ingeniería Mecánica: La Revista de ASME (2020). https://www.asme.org/topics-resources/content/infographic-the-history-of-3d-printing.

Malone, E. & Lipson, H. Fab@Home: El kit de fabricación de escritorio personal. Prototipo Rápido. J. 13, 245–255 (2007).

Artículo Google Académico

Hinton, TJ y col. Impresión tridimensional de estructuras biológicas complejas mediante la incorporación reversible de forma libre de hidrogeles suspendidos. ciencia Adv. 1, e1500758–e1500758 (2015).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Mirdamadi, E., Tashman, JW, Shiwarski, DJ, Palchesko, RN y Feinberg, AW FRESH bioimpresión 3D de un modelo de tamaño completo del corazón humano. ACS Biomater. ciencia Ing. 6, 6453–6459 (2020).

Artículo Google Académico

Lee, A. et al. Bioimpresión 3D de colágeno para reconstruir componentes del corazón humano. Ciencia 365, 482–487 (2019).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Tashman, JW, Shiwarski, DJ y Feinberg, AW Una extrusora de jeringa de código abierto de alto rendimiento optimizada para extrusión y retracción durante la bioimpresión FRESH 3D. HardwareX. 9, e00170 (2021).

Artículo Google Académico

Ioannidis, K. et al. Una bioimpresora 3D personalizada de ultra bajo costo respalda el crecimiento y la diferenciación celular. Frente. Bioing. Biotecnología. 8, 580889 (2020).

Artículo Google Académico

Kahl, M., Gertig, M., Hoyer, P., Friedrich, O. & Gilbert, DF Bioimpresión 3D de costo ultrabajo: modificación y aplicación de una impresora 3D de escritorio lista para usar para biofabricación. Frente. Bioing. Biotecnología. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00184 (2019).

Artículo Google Académico

Krige, A., Haluška, J., Rova, U. & Christakopoulos, P. Diseño e implementación de una modificación de bioimpresora de bajo costo, que permite cambiar entre extrusión de plástico y gel. HardwareX. 9, e00186 (2021).

Artículo Google Académico

Yenilmez, B., Temirel, M., Knowlton, S., Lepowsky, E. & Tasoglu, S. Desarrollo y caracterización de una bioimpresora 3D de bajo costo. Bioimpresión. 13, e00044 (2019).

Artículo Google Académico

Bessler, N. et al. Extrusora de una jeringa Nydus (NOSE): conversión de una impresora 3D Prusa i3 para aplicaciones de bioimpresión que utilizan el método FRESH. HardwareX. 6, e00069 (2019).

Artículo Google Académico

Lei, IM, Sheng, Y., Lei, CL, Leow, C. & Huang, YYS Una impresora 3D de extrusión modular, multifuncional y pirateable para materiales blandos. ciencia Rep. 12, 12294 (2022).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Casco, SM et al. Bioimpresión 3D utilizando biotintas UNIversal Orthogonal Network (UNION). Adv. Func. Mate. 31, 2007983 (2021).

Artículo Google Académico

Ding, A. et al. Hidrogel de microescamas atascadas para la bioimpresión de células vivas en cuatro dimensiones. Adv. Mate. 34, 2109394 (2022).

Artículo Google Académico

Jeon, O. et al. Biotinta de hidrogel cargada de células madre para la generación de tejidos de ingeniería de alta resolución y fidelidad con geometrías complejas. Materia Bioactiva. 15, 185–193 (2022).

Artículo Google Académico

Seymour, AJ, Shin, S. & Heilshorn, SC Impresión 3D de andamios de microgel con fracción vacía ajustable para promover la infiltración celular. Adv. Saludc. Mate. 10, 2100644 (2021).

Artículo Google Académico

Yang, J., Tao, JL y Franck, C. Patrones de correlación de imágenes digitales inteligentes a través de la impresión 3D. Exp. mecánico 61, 1181–1191 (2021).

Artículo Google Académico

Romanazzo, S. et al. Estructuras sintéticas similares a huesos mediante bioimpresión cerámica omnidireccional en suspensiones celulares. Adv. Func. Mate. 31, 2008216 (2021).

Artículo Google Académico

Molley, TG et al. Modelos de tumores heterotípicos mediante impresión de forma libre en microgeles granulares fotoestabilizados. Biomateria. ciencia 9, 4496–4509 (2021).

Artículo Google Académico

Homan, KA et al. Bioimpresión de túbulos proximales renales contorneados en 3D en chips perfundibles. ciencia Rep. 6, 34845 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Kolesky, DB, Homan, KA, Skylar-Scott, MA y Lewis, JA Bioimpresión tridimensional de tejidos gruesos vascularizados. proc. nacional Academia ciencia EE. UU. 113, 3179–3184 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Tashman, JW y col. Imágenes volumétricas in situ y análisis de construcciones bioimpresas 3D FRESCAS mediante tomografía de coherencia óptica. Biofabricación 15, 014102 (2023).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Tong, A. et al. Revisión de bioimpresoras 3D de bajo costo: estado del mercado y tendencias futuras observadas. Tecnología SLAS. 26, 333–366 (2021).

Artículo Google Académico

Bliley, J. et al. FRESH 3D bioimpresión de un tubo cardíaco contráctil utilizando cardiomiocitos derivados de células madre humanas. Biofabricación 14, 024106 (2022).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Fiódorov, A. et al. Slicer 3D como plataforma de computación de imágenes para la red de imágenes cuantitativas. Magn. resonancia Imágenes. 30, 1323–1341 (2012).

Artículo Google Académico

Girardeau-Montaut, D. Detección de cambios en datos geométricos tridimensionales. telecomunicaciones París (2006).

Descargar referencias

Nos gustaría agradecer a Brian Coffin y Andrew Hudson por revisar los materiales complementarios. También nos gustaría agradecer a los asistentes al taller de código abierto de bioimpresión 3D 2021 y 2022 del Regenerative Biomaterials and Therapeutics Group para probar el proceso de conversión en el mundo real. Además, nos gustaría agradecer al usuario de Thingiverse (www.thingiverse.com) ChrisGilleti, quien diseñó el modelo original para el estuche Duet2 WiFi utilizado en esta conversión (cosa 3721923).

Este trabajo fue apoyado por la Administración de Alimentos y Medicamentos (R01FD006582) y el Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre de los Institutos Nacionales de Salud (1F30HL154728, K99HL155777).

Estos autores contribuyeron por igual: Joshua W. Tashman y Daniel J. Shiwarski.

Departamento de Ingeniería Biomédica, Universidad Carnegie Mellon, Pittsburgh, PA, 15213, EE. UU.

Joshua W. Tashman, Daniel J. Shiwarski y Adam W. Feinberg

Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad Carnegie Mellon, Pittsburgh, PA, 15213, EE. UU.

Adam W Feinberg

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

Todos los autores concibieron los experimentos y contribuyeron a la planificación científica y las discusiones. JWT y DJS prepararon las cifras y el texto finales. JWT escribió la guía de conversión. JWT realizó bioimpresión e imágenes OCT. JWT y DJS realizaron análisis de imágenes en Fiji y MATLAB. JWT, DJS y AWF escribieron el documento e interpretaron los datos.

Correspondencia a Adam W. Feinberg.

AWF tiene una participación accionaria en FluidForm Inc., que es una empresa nueva que comercializa la impresión FRESH 3D. La impresión FRESH 3D está protegida por patente, incluida la patente de EE. UU. 10,150,258 y la patente provisional n.º 63/082621. Ningún otro autor tiene conflicto de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Tashman, JW, Shiwarski, DJ & Feinberg, AW Desarrollo de una bioimpresora 3D de código abierto de alto rendimiento. Informe científico 12, 22652 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26809-4

Descargar cita

Recibido: 11 Septiembre 2022

Aceptado: 20 de diciembre de 2022

Publicado: 31 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26809-4

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.