Développement d'un haut | Roulements en plastique inc.

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22652 (2022) Citer cet article

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L'application de l'impression 3D à la recherche biologique a fourni à la communauté de l'ingénierie tissulaire une méthode pour organiser les cellules et les matériaux biologiques en structures 3D complexes. Bien qu'il existe de nombreuses plates-formes commerciales de bio-impression, elles sont coûteuses, allant de 5 000 $ à plus de 1 000 000 $. Ce coût d'entrée élevé empêche de nombreux laboratoires d'intégrer la bio-impression 3D dans leurs recherches. En raison de la nature open source des imprimantes 3D en plastique de bureau, une option alternative a été de convertir les imprimantes en plastique à faible coût en bio-imprimantes. Plusieurs modifications open-source ont été décrites, mais il reste un besoin d'un guide convivial, étape par étape, pour convertir une imprimante thermoplastique en une bio-imprimante à l'aide de composants aux performances validées. Ici, nous convertissons une imprimante 3D à faible coût, la FlashForge Finder, en une bio-imprimante à l'aide de notre pousse-seringue Replistruder 4 et du Duet3D Duet 2 WiFi pour un coût total inférieur à 900 $. Nous démontrons que la précision du déplacement de la bio-imprimante est meilleure que 35 µm dans les trois axes et quantifions la fidélité en imprimant des échafaudages de collagène à treillis carré avec des erreurs moyennes inférieures à 2 %. Nous montrons également une reproduction haute fidélité des données d'imagerie clinique en imprimant un échafaudage d'une oreille humaine à l'aide de collagène bioink. Enfin, pour maximiser l'accessibilité et la personnalisation, tous les composants que nous avons conçus pour la conversion de la bio-imprimante sont fournis sous forme de modèles 3D open source, ainsi que des instructions pour modifier davantage la bio-imprimante pour des cas d'utilisation supplémentaires, résultant en un guide complet pour le domaine de la bio-impression.

La fabrication additive a bouleversé de nombreux secteurs, car elle permet la fabrication de pièces 3D complexes, une itération de conception rapide, une personnalisation à faible coût et l'utilisation d'une gamme croissante de matériaux de qualité technique1. Cette transition a été soutenue par des chercheurs développant de nouvelles méthodologies d'impression 3D et des entreprises produisant des imprimantes 3D à l'échelle industrielle pour l'impression sur lit de poudre, la polymérisation en cuve, le jet de liant et l'extrusion de matériaux (par exemple, l'extrusion de filaments thermoplastiques). La bio-impression 3D a le potentiel d'apporter des améliorations similaires, en utilisant certaines de ces techniques2,3,4, au domaine de l'ingénierie tissulaire en construisant des constructions cellularisées et des tissus et organes potentiellement fonctionnels5,6,7,8. Au lieu de polymères, de métaux ou de céramiques, dans la bio-impression 3D, c'est la bio-encre qui est imprimée, où le terme bio-encre tel qu'utilisé ici comprend les suspensions cellulaires à haute densité, les hydrogels synthétiques et naturels, les hydrogels chargés de cellules, les encres biomatériaux et leurs combinaisons. Cependant, comme la bio-impression 3D en est encore principalement au stade de la recherche et du développement, les obstacles à une adoption généralisée limitent l'innovation. Le principal de ces obstacles est le coût élevé des plates-formes commerciales de bioimpression 3D de qualité recherche, qui vont de 5 000 $ à plus de 1 000 000 $. À ces niveaux de prix, un achat de biens d'équipement et des fonds dédiés sont généralement nécessaires, ce qui limite l'accès aux installations de base et aux laboratoires de recherche bien financés. De plus, bon nombre de ces plates-formes de bioimpression 3D sont difficiles à modifier pour des applications personnalisées sans entraîner de coûts supplémentaires, ont une compatibilité limitée avec les nouveaux biomatériaux et utilisent un logiciel d'impression propriétaire et un écosystème matériel fermé.

Une solution à ces problèmes a émergé avec la communauté de l'impression 3D open source qui a commencé au début des années 2000 et s'est accélérée avec l'expiration des brevets nationaux et internationaux sur la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) en 20099. Pour la première fois, l'impression 3D plastique est passée d'une technique relativement coûteuse, utilisant des équipements et des matériaux propriétaires dominés par de grandes entreprises, à un mouvement open source stimulé par des startups et des imprimantes 3D peu coûteuses pouvant être utilisées par n'importe qui. Dès 2012, les chercheurs ont commencé à convertir ces imprimantes thermoplastiques à faible coût, qui étaient continuellement améliorées par la communauté open source, en bioprinters capables de produire des résultats de haute qualité pour des dizaines de milliers de dollars de moins que les alternatives commerciales. De même, les premiers travaux sur des bio-imprimantes 3D personnalisées, comme le projet fab@home à Cornell, ont montré le potentiel de construction de plates-formes open source à un coût relativement faible10. Au cours de cette période, notre groupe de recherche a converti une large gamme d'imprimantes thermoplastiques open source (par exemple, MakerBot Replicator, LulzBot Mini 2, PrintrBot Simple Metal, FlashForge Creator Pro, MakerGear M2) en bio-imprimantes 3D hautes performances11,12,13. Cela nous a permis de tirer parti du système de mouvement 3 axes de haute qualité dont disposent déjà ces imprimantes open source tout en n'ayant qu'à ajouter les composants, tels que l'extrudeuse à pompe à seringue, spécifiquement requis pour la bioimpression des cellules et des bioencres liquides. En outre, notre approche utilise le même moteur pas à pas de l'extrudeuse à filaments d'origine de l'imprimante thermoplastique pour entraîner l'extrudeuse à pompe à seringue de la bio-imprimante. Cela signifie que plusieurs progiciels open source de haute qualité peuvent être utilisés pour découper des modèles 3D en code G et pour contrôler le processus d'impression, tout comme dans l'impression plastique.

Bien qu'il y ait eu plusieurs publications décrivant les modifications de bio-imprimantes 3D, y compris les extrudeuses que nous avons conçues12,14, dans l'ensemble, le domaine manque d'un guide complet pour construire une plate-forme de bio-imprimante 3D open-source complète et personnalisable utilisant des composants validés et testés15,16,17,18,19,20. Ici, nous décrivons la modification d'une imprimante 3D thermoplastique à faible coût qui est largement disponible, en une bio-imprimante de moins de 1000 $. Depuis 2018, nous organisons un atelier international de bio-impression 3D open source à l'Université Carnegie Mellon où les participants construisent leur propre bio-imprimante, apprennent à les utiliser pour la bio-impression 3D Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogel (FRESH), puis ramènent les bio-imprimantes dans leurs institutions d'origine pour de futures recherches. Ces efforts ont servi à valider nos conceptions et modifications de bio-imprimantes et nos guides étape par étape pour une gamme d'expériences d'utilisateurs et de niveaux d'expérience, et ont produit plusieurs publications à fort impact21,22,23,24,25,26,27. Bien que nous utilisions ici un FlashForge Finder comme imprimante, l'approche que nous décrivons est facilement adaptable à presque toutes les imprimantes 3D d'extrusion à faible coût et open source sur le marché. Pour ce faire, nous avons créé des instructions nécessitant une connaissance minimale de l'électronique ou de la fabrication mécanique, et utilisons des composants d'imprimante open source précédemment publiés et des extrudeuses à pompe à seringue capables de produire des constructions imprimées de haute qualité14. Pour garantir une adoption facile et une personnalisation future, nous remplaçons la carte de contrôle de mouvement propriétaire du Finder par le Duet 2 WiFi, une carte de contrôle de mouvement open-source, hautement adaptable, facile à utiliser et très bien documentée de Duet3D. Nous équipons également l'imprimante de notre pousse-seringue open source Replistruder 4, qui s'appuie sur près d'une décennie de conceptions de notre laboratoire et qui a été utilisée dans de nombreuses études publiées12,14,21. Le résultat final est une bio-imprimante 3D à faible coût avec des performances égales ou supérieures à celles des alternatives commerciales et avec un degré élevé de personnalisation matérielle et logicielle qui est essentiel à l'impression de nouvelles bio-encres et au développement d'applications avancées.

Lors de la conversion d'une imprimante 3D plastique en une bio-imprimante, il existe une séquence d'étapes qui se déroulent généralement dans le même ordre (Fig. 1). Premièrement, l'électronique et le système de contrôle de l'imprimante plastique doivent soit être adaptés à la bio-impression par modification, soit ils doivent être remplacés par une alternative. La carte de circuit imprimé propriétaire de contrôle de mouvement FlashForge Finder (Fig. 2A, rectangle vert) est remplacée par la carte de circuit imprimé de contrôle de mouvement WiFi open-source Duet 2 (Fig. 2B, rectangle bleu). Ceci est fait pour améliorer les performances de contrôle de mouvement, fournir un accès WiFi et faciliter la personnalisation rapide du micrologiciel via l'interface Web Duet sans avoir besoin d'utiliser un logiciel supplémentaire. Les instructions étape par étape pour ce processus sont présentées pour le FlashForge Finder et peuvent être adaptées à la plupart des imprimantes 3D de bureau (détails fournis dans le guide d'assemblage supplémentaire, Figs. Supplémentaires S1 à S15, et fichiers de configuration Duet2 WiFi fournis). Ensuite, l'extrudeuse thermoplastique fournie avec l'imprimante est remplacée par la Replistruder 4, une extrudeuse à pompe à seringue haute performance open source que nous avons précédemment développée14. La plupart des pièces du Replistruder 4 sont facilement imprimées en 3D en plastique et assemblées à l'aide de matériel couramment disponible (Fig. 2C). Une plate-forme de chariot a été conçue pour s'adapter aux composants de mouvement linéaire existants de l'imprimante et fournir un point de montage pour le Replistruder 4. Ce chariot de l'axe X comporte des poches pour les roulements déjà montés sur les rails linéaires de l'axe X ainsi que des canaux pour acheminer et retenir la courroie de l'axe X qui entraîne le mouvement le long de l'axe. De plus, quatre points de montage avec des écrous hexagonaux M3 encastrés sont incorporés pour permettre au Replistruder 4 d'être fixé au chariot de l'axe X (Fig. 2D). La tête d'impression thermoplastique qui est préinstallée sur le Finder est remplacée par l'ensemble chariot d'axe X/Replistruder 4 (Fig. 2E, F, détails dans le guide d'assemblage supplémentaire et les Fig. supplémentaires S16 à S23). À la fin de ces étapes, le Replistruder 4 (Fig. 2G, flèche bleue) est monté sur l'axe X de l'imprimante dans le chariot de l'axe X (Fig. 2G flèche jaune), et les moteurs sont connectés au Duet 2 WiFi, qui est positionné dans l'armoire arrière de la bioprinter (Fig. 2H, flèche verte). Avec ces modifications, le FlashForge Finder est transformé en une bio-imprimante open source avec une extrudeuse haute performance et un système de contrôle de mouvement.

Étapes de conversion d'une imprimante plastique en bio-imprimante. La tête d'impression de l'extrudeuse en plastique et la carte de commande de mouvement de l'imprimante en plastique sont respectivement commutées sur une extrudeuse à pompe à seringue et une carte de commande Duet2 WiFi. Le Duet2 WiFi est alors configuré pour faire fonctionner une bio-imprimante. Pour la bio-impression, le modèle 3D souhaité est découpé en chemin de machine (code G généré avec le logiciel Cura Ultimaker), puis Duet Web Control exécute l'impression à l'aide de la bio-encre souhaitée. Figure créée en partie avec BioRender.com.

Conversion du finder FlashForge en bioprinter. (A) La carte de commande de mouvement d'origine et le câblage (rectangle vert). (B) La carte de commande de mouvement est remplacée par la carte de commande de mouvement Duet 2 WiFi (rectangle bleu). (C) L'extrudeuse de pompe à seringue Replistruder 4 est imprimée et assemblée. (D) Le chariot de l'axe X du FlashForge Finder est imprimé en 3D et le Replistruder 4 y est monté. (E) Vue de haut en bas de la tête d'impression de l'extrudeuse en plastique du Finder qui doit être retirée. (F) Vue de haut en bas du Replistruder 4 après son montage dans l'imprimante. (G) Vue supplémentaire montrant que la tête d'impression de l'extrudeuse en plastique a été remplacée par une extrudeuse de pompe à seringue Replistruder 4 (flèche bleue) montée sur un chariot d'axe X personnalisé (flèche jaune). (H) Le Duet 2 WiFi est monté dans un boîtier imprimé en 3D recouvert de l'armoire arrière du Finder (flèche verte).

Le Duet 2 WiFi offre plusieurs avantages clés par rapport aux circuits imprimés de contrôle de mouvement que l'on trouve dans le FlashForge Finder et d'autres imprimantes 3D de bureau à faible coût. Tout d'abord, l'interface Web basée sur le Wi-Fi du Duet permet un accès facile, dans le navigateur, au mouvement de l'imprimante, au stockage et au transfert de fichiers, aux paramètres de configuration et aux mises à jour du micrologiciel. Cela contraste avec la plupart des imprimantes 3D, où le processus de modification des paramètres de configuration nécessite de flasher le micrologiciel de la carte de contrôle de mouvement à l'aide d'un logiciel tiers. Cela peut être difficile et intimidant pour un utilisateur inexpérimenté et peut entraîner des modifications accidentelles ou une corruption du micrologiciel. Deuxièmement, le Duet 2 ajoute de nombreuses améliorations avancées de contrôle de mouvement, y compris (i) un contrôleur électronique 32 bits, (ii) des contrôleurs pas à pas Trinamic TMC2260 hautes performances, (iii) un contrôle de mouvement amélioré avec jusqu'à 256 × micropas pour 5 axes, (iv) une sortie de courant moteur élevée de 2,8 A pour générer une puissance plus élevée, (v) un lecteur de carte microSD intégré pour le stockage du micrologiciel et le transfert de fichiers, et (vi) des cartes d'extension ajoutant une compatibilité pour 5 axes supplémentaires, des servocontrôleurs, réchauffeurs d'extrudeuse, jusqu'à 16 connexions d'E/S supplémentaires et prise en charge d'un ordinateur monocarte Raspberry Pi. Enfin, la documentation en ligne de configuration et d'assistance Duet 2 WiFi est complète, régulièrement mise à jour et sauvegardée par un forum d'utilisateurs actif. Bien que nous fournissions un guide étape par étape pour les aspects matériels de cette conversion et de la configuration de base du Duet 2 WiFi, ceux qui cherchent à apporter des modifications supplémentaires sont renvoyés à la documentation officielle de Duet3D. Ensemble, ces fonctionnalités offrent un contrôle de mouvement de haute précision et une évolutivité étendue avec une interface Web facile à utiliser qui permet une personnalisation rapide et des performances améliorées au-delà des imprimantes plastiques de bureau standard.

Après conversion, les limites de déplacement des axes X, Y et Z ont été mesurées pour déterminer le volume de construction de la bio-imprimante 3D. Pour l'axe X, la course est de 105 mm, pour l'axe Y, la course est de 150 mm et pour l'axe Z, la course est de 50 mm, ce qui donne un volume de construction global de 787,5 cm3 (Fig. 3A). Pour un système de mouvement entraîné par un moteur pas à pas, tel que cette bio-imprimante 3D et la plupart des imprimantes 3D commerciales, le paramètre de contrôle le plus important affectant les performances est le pas par mm d'étalonnage pour chacun des trois axes. Ce nombre détermine combien d'impulsions, ou pas, doivent être envoyées aux moteurs pas à pas qui entraînent chaque axe pour les déplacer précisément d'un millimètre chacun. Pour les axes X et Y, qui sont entraînés par courroie, la formule est $pas/mm=(pas/rotation\fois micropas)/(pas de la courroie\fois dents de poulie)$. Pour le Finder, ces paramètres sont le pas nominal de la courroie d'entraînement (2 mm), le nombre de dents dans la poulie du moteur (17 dents), le nombre de pas dans une rotation complète du moteur (200 pas) et le nombre de micropas que le Duet 2 WiFi interpole entre les pas complets (réglé sur 64 micropas). Dans ce cas, le pas nominal/mm pour les axes X et Y est de 376,5. Pour l'axe Z, qui utilise une vis-mère, la formule est $pas/mm=(pas/rotation\fois micropas)/(pas de vis\fois débuts de vis)$. Le viseur utilise une vis mère à pas de 2 mm à 4 pas, de sorte que les pas/mm nominaux pour le micropas 16 × sont de 400 pas/mm.

Mesure et correction des déplacements de l'imprimante. (A) La course de l'axe X est de 105 mm, la course de l'axe Y est de 150 mm et la course de l'axe Z est de 50 mm. (B) L'erreur de déplacement pour l'axe X sur une fenêtre de 10 mm avant correction (rouge) et après correction (bleu). (C) L'erreur de déplacement pour l'axe Y sur une fenêtre de 10 mm avant correction (rouge) et après correction (bleu). (D) L'erreur de déplacement pour l'axe Z sur une fenêtre de 10 mm avant correction (rouge) et après correction (bleu).

Lorsque l'on compare les performances des bio-imprimantes 3D, il faut tenir compte de plusieurs spécifications clés qui sont directement liées à la qualité d'impression. La plupart des imprimantes 3D thermoplastiques fournissent des spécifications pour la résolution, qui est définie comme le plus petit pas que l'imprimante peut faire dans n'importe quelle direction. Les chiffres signalés pour le FlashForge Finder et plusieurs bioprinters populaires disponibles dans le commerce peuvent être trouvés dans le tableau 1. Les spécifications supplémentaires liées au système de mouvement sont l'erreur de position, qui est définie comme l'écart absolu de l'emplacement actuel de la tête d'impression par rapport à l'emplacement prévu, et la répétabilité, qui est définie comme l'écart absolu maximal de la position mesurée par rapport à la position mesurée moyenne lors d'une tentative d'atteindre cette position plusieurs fois. Ces mesures plus sophistiquées sont largement absentes dans l'espace de la bio-impression et peuvent varier d'une imprimante à l'autre en fonction des composants mécaniques et de la précision de l'assemblage. De plus, la résolution fournie dans les spécifications de la bio-imprimante est généralement idéale en fonction des dimensions nominales des engrenages, des poulies et des vis utilisées pour assembler le système de mouvement. Aucun des fabricants mentionnés précédemment ne fournit de mesures de résolution réelle, c'est-à-dire d'erreur sur toute la distance parcourue ou de répétabilité. Ces mesures sont généralement fournies avec des plateformes de mouvement ultra-haut de gamme telles que celles d'Aerotech et de Physik Instrumente28,29. Pour déterminer puis optimiser les performances réelles de ces systèmes basés sur des imprimantes 3D à faible coût, il est nécessaire de mesurer le déplacement avec un outil externe.

Pour vérifier que les valeurs nominales de pas/mm étaient correctes, nous avons quantifié l'erreur de position de notre système le long de chaque axe près du centre de déplacement avec une précision de 2 µm. Pour l'axe X, il y avait une sous-course systématique aux pas/mm nominaux (Fig. 3B, courbe rouge). En utilisant l'erreur maximale à 10 mm de déplacement, nous avons déterminé le nombre de pas manqués par mm et corrigé la valeur, et avec ce pas corrigé/mm, l'erreur de déplacement moyenne sur la fenêtre de 10 mm était de 7,9 µm (Fig. 3B, courbe bleue). Pour l'axe Y, il y avait une sous-course systématique en utilisant les pas nominaux/mm (Fig. 3C, courbe rouge) et après correction, celle-ci a été réduite à 29,1 µm (Fig. 3C, courbe bleue). Enfin, pour l'axe Z, il y avait une sous-course systématique en utilisant les pas nominaux/mm (Fig. 3D, courbe rouge) et après correction, elle était réduite à 32,3 µm (Fig. 3D, courbe bleue). Les valeurs permettent également de calculer la répétabilité unidirectionnelle, qui est la précision de retour à une position spécifique d'un seul côté de l'axe (par exemple, de 0 à 5 mm) et la répétabilité bidirectionnelle, qui est la précision de retour à une position spécifique des deux côtés de l'axe (par exemple, de 0 à 5 mm et de 10 à 5 mm). Pour l'axe X, la répétabilité unidirectionnelle était de 3,9 µm et la répétabilité bidirectionnelle était de 16,4 µm. Pour l'axe Y, la répétabilité unidirectionnelle était de 11,5 µm et la répétabilité bidirectionnelle était de 63,9 µm. Pour l'axe Z, la répétabilité unidirectionnelle était de 8,7 µm et la répétabilité bidirectionnelle était de 38,7 µm. Ensemble, ces mesures démontrent qu'avec l'étalonnage, le voyage de notre bioprinter converti avait une erreur maximale de 35 µm et une répétabilité dans les pires situations de 65 µm. Alors qu'avant l'étalonnage, il y avait une erreur de position augmentant linéairement, après l'étalonnage, cette erreur est considérablement réduite. Sans cet étalonnage, ou au moins la mesure des erreurs, il serait impossible de déterminer si les défauts des constructions imprimées étaient dus à l'imprimante elle-même ou à d'autres facteurs ayant une incidence sur la qualité d'impression.

La fidélité et la résolution des constructions imprimées ne sont généralement pas quantifiées pour les bio-imprimantes 3D car elles ne peuvent pas imprimer les bio-encres d'une manière approchant les limites mécaniques des systèmes. Cependant, avec les récents progrès réalisés dans les techniques de bio-impression embarquées telles que FRESH13, il est désormais possible d'effectuer une bio-impression par extrusion avec des résolutions approchant les 20 µm. Ainsi, pour démontrer les performances d'impression de la bio-imprimante, nous avons généré une conception d'échafaudage à réseau carré composée d'un espacement de filament de 1000 et 500 µm (Fig. 4A) pour mesurer la précision lorsque FRESH est imprimé à partir d'une bioencre de collagène de type I (Fig. 4B). Pour mesurer l'espacement de la grille, nous avons capturé une image volumétrique 3D à l'aide de la tomographie par cohérence optique (OCT) (Fig. 4C)30, qui a révélé un accord étroit entre les dimensions telles que conçues et mesurées (Fig. 4D). Cela a été suivi par une conception plus complexe basée sur un scan 3D d'une oreille humaine adulte (Fig. 4E). Ce modèle a été imprimé à l'aide de collagène (Fig. 4F). Pour analyser la précision, nous avons capturé une image volumétrique 3D de l'oreille imprimée à l'aide de l'OCT (Fig. 4G, Fig. Supplémentaire S24)30. La reconstruction 3D démontre la récapitulation des caractéristiques du modèle et l'analyse de jaugeage 3D a révélé un écart de − 29 ± 107 µm (moyenne ± STD) entre l'oreille imprimée FRESH et le modèle 3D d'origine (Fig. 4H)30. Ensemble, ces deux exemples démontrent que l'erreur moyenne et l'écart type des échafaudages imprimés sont dans les limites mécaniques de la bio-imprimante que nous avons construite, et à égalité avec les bio-imprimantes commerciales31.

Impression de grilles dimensionnellement précises et de formes organiques. (A) Modèle d'un échafaudage quadrillé avec des grilles de 500 µm et 1000 µm. (B) Photographie de l'échafaudage quadrillé imprimé en collagène de type I. (C) Une image OCT de l'impression d'échafaudage quadrillé. (D) Analyse de la précision de l'impression d'échafaudage quadrillée (moyenne ± STD. ; n = 11 mesures pour une grille de 1000 µm, n = 26 mesures pour une grille de 500 µm, p < 0,0001 [****] pour 1000 µm par rapport à 500 µm par le test t bilatéral non apparié de Student). (E) Un modèle 3D d'une oreille. (F) Une photographie de l'oreille imprimée en collagène de type I. (G) Une image volumétrique OCT de l'oreille imprimée. (H) Jaugeage quantitatif de l'empreinte d'oreille par rapport au modèle 3D original.

Ici, nous avons converti l'imprimante 3D plastique FlashForge Finder en une bio-imprimante 3D et avons fourni des instructions détaillées pour le processus. Alors que plusieurs conversions de bio-imprimantes ont été publiées et ont fourni des informations utiles15,16,17,18,19,20, il reste un besoin pour un guide de conversion étape par étape convivial utilisant des composants largement disponibles et qui ont été validés pour fonctionner avec un haut niveau de performance. Le FlashForge Finder est peu coûteux (~ 300 $) et largement disponible dans le monde entier auprès des détaillants en ligne, ce qui garantit qu'il sera largement accessible à la communauté des chercheurs. De plus, nous utilisons une carte de circuit imprimé de contrôle de mouvement d'imprimante 3D open source bien prise en charge, la Duet 2 WiFi de Duet3D. Tous les composants requis pour la conversion sont soit imprimés en 3D dans du plastique, tel que le PLA, soit des fixations de base, des mouvements linéaires et du matériel moteur largement disponibles. Le coût total, y compris les composants Replistruder 4, est inférieur à 900 $. De plus, alors que le guide étape par étape (voir le matériel supplémentaire) fournit des instructions spécifiques pour le FlashForge Finder, les instructions sont généralisables et peuvent être utilisées pour convertir un large éventail d'autres imprimantes 3D en bio-imprimantes. Par exemple, nous avons conçu des chariots pour monter le Replistruder sur d'autres imprimantes telles que la MakerGear M2 et la LulzBot Mini 2 (fichiers partiels téléchargeables sur https://doi.org/10.5281/zenodo.7496012). Ensemble, ces éléments font de notre conversion à la fois une introduction facile à utiliser pour un novice et un point de départ pour des conversions et des personnalisations d'imprimantes 3D plus avancées.

L'essentiel du processus de bio-impression 3D est de s'assurer que l'objet imprimé correspond aux dimensions et à la géométrie du modèle CAO 3D d'entrée. Pour l'extrudeuse pompe à seringue Replistruder 4, cette vérification a été effectuée dans des travaux publiés précédemment14. Pour la bio-imprimante 3D construite ici, les valeurs nominales des paramètres de contrôle de mouvement ont produit une erreur maximale sur une plage de déplacement de 10 mm d'environ 100 µm, soit ~ 1 % (Fig. 3B – D). Pour de nombreuses applications de bio-impression, il s'agit d'une précision adéquate, cependant, nous montrons qu'en calibrant davantage l'imprimante, la précision peut être améliorée de trois fois à ~ 33 µm (Fig. 3B – D). Considérant que la plupart des diamètres de buse des bio-imprimantes vont de 100 à 500 µm, cela produira des résultats de haute qualité pour une large gamme d'applications12,13,30. Bien que l'analyse du système de contrôle de mouvement soit importante, elle ne fournit pas une évaluation complète des performances de la bio-imprimante. Pour une évaluation complète des performances, nous nous sommes inspirés des tests utilisés pour l'usinage soustractif haute performance, où les pièces usinées sont mesurées pour démontrer la fidélité. En bio-impression, une évaluation comparable de la fidélité peut être effectuée en mesurant les pièces bio-imprimées en 3D (c'est-à-dire les constructions). Cette méthodologie est plus pertinente que la simple résolution de déplacement XYZ de l'imprimante, car la fidélité des pièces bio-imprimées dépend également des interactions matérielles et chimiques qui se produisent pendant la fabrication. À notre connaissance, les fabricants actuels de bio-imprimantes ne mesurent pas la fidélité des pièces imprimées (c'est-à-dire les constructions) réalisées avec leurs bio-imprimantes, ce qui rend difficile la comparaison directe avec notre bio-imprimante open source.

Pour notre première caractérisation d'impression, l'échafaudage en treillis carré, les grilles de 1000 et 500 µm correspondaient étroitement à leurs dimensions prévues et les légers écarts seraient dus à la manipulation post-impression des filaments de collagène de 90 µm de diamètre et 1000 µm de long. Conformément à ce raisonnement, la grille de 500 µm, qui ne différait que par des points de contact plus fréquents entre les filaments orthogonaux, avait une précision améliorée par rapport à la grille de 1000 µm. La deuxième impression, l'échafaudage d'oreille, a montré que la bio-imprimante peut produire des formes 3D plus complexes et l'analyse de jaugeage quantitative a confirmé que la fidélité obtenue avec l'utilisation de la bioencre de collagène était similaire à nos résultats publiés en utilisant d'autres bio-imprimantes 3D FRESH13,14,32. D'autres caractéristiques importantes des constructions de collagène imprimé FRESH, telles que la stabilité dans le temps et la biocompatibilité, ont été largement décrites dans nos travaux antérieurs13,30,32. Ces exemples démontrent que la bio-imprimante 3D convertie est capable à la fois d'un mouvement précis et d'une impression haute fidélité de la géométrie prévue.

Un aspect important du matériel open source, outre son faible coût, est la possibilité de modifier et d'étendre ses capacités pour des applications spécifiques. Pour l'extrudeuse de pompe à seringue Replistruder 4 publiée précédemment, nous avons fourni des fichiers d'impression et de conception complets qui sont facilement modifiables dans un logiciel de CAO standard. Ici, nous nous appuyons sur cela en fournissant des fichiers d'impression et de conception complets pour le chariot de l'axe X et divers porte-échantillons, y compris pour les boîtes de Pétri de 35 mm et les plaques multipuits. Ces fichiers permettent de modifier l'imprimante pour différents types et tailles de seringues, ainsi que pour différents conteneurs d'impression. Le Duet 2 WiFi offre également des capacités étendues, notamment des réchauffeurs et des refroidisseurs de lit d'impression et de seringue, ainsi que des capteurs pouvant être contrôlés à l'aide de son implémentation avancée du code G. Des outils supplémentaires sont également pris en charge, tels que les extrudeuses à pompe à seringues multiples, les lasers, les outils soustractifs (par exemple, les broyeurs), la commutation de la lumière UV, la commutation automatisée des outils et les macros de code G. Ensemble, ce large potentiel d'extensibilité et de modification fait de notre bio-imprimante 3D une plate-forme puissante pour le développement d'applications avancées de bio-impression 3D.

Enfin, la bio-imprimante 3D que nous avons développée ici est le résultat de plusieurs années de développement, au cours desquelles nous avons travaillé avec des ingénieurs, des scientifiques et des médecins, et les avons formés pour construire et utiliser ces systèmes. Il est basé sur le "3D Bioprinting Open-Source Workshop" que nous organisons à l'Université Carnegie Mellon depuis 2018, et où nous avons formé des stagiaires de laboratoires de recherche du monde entier, notamment en Australie, au Canada, en Israël, au Japon, en Corée et aux États-Unis. La conversion du FlashForge Finder en une bio-imprimante 3D décrite ici a été utilisée pour les ateliers 2021 et 2022 et a servi de base au guide de conversion étape par étape inclus (voir le matériel de support). Grâce à cette publication, nous espérons augmenter le nombre de chercheurs qui peuvent apprendre et bénéficier de cet effort. De plus, nous espérons que cette bio-imprimante 3D pourra servir d'exemple de l'impact que la science ouverte peut avoir sur l'accélération des progrès de la recherche et de l'importance de mettre des outils scientifiques à faible coût et performants entre les mains et les laboratoires d'autant de chercheurs que possible.

Pour mesurer le déplacement de l'imprimante avec une grande précision, nous avons utilisé un indicateur Digimatic absolu Mitutoyo (Mitutoyo, Japon, 542-500B) avec une précision de ± 2 µm monté sur une base magnétique Noga pour l'alignement avec les axes de l'imprimante. Pour mesurer un axe donné, la jauge a été alignée parallèlement à l'axe, puis exécutée jusqu'à sa course complète, puis reculée à 100 µm de moins que sa course complète à l'aide des commandes de l'imprimante sur le Duet Web Control (pour s'assurer que tout jeu sur la course initiale a été pris). L'axe a ensuite été éloigné de la jauge par incréments nominaux de 1 mm à l'aide du Duet Web Control. La position réelle, tirée de la jauge, a été enregistrée. Ce processus a été répété jusqu'à ce qu'une course nominale de 10 mm soit complète, puis le processus a été inversé jusqu'à ce que la position nominale soit à nouveau 0. La position zéro a été réinitialisée et le processus a été répété deux fois de plus. A partir de ces mesures, l'erreur a été définie comme la différence absolue entre la position nominale et la position mesurée. La répétabilité unidirectionnelle était l'erreur pour les deuxième et troisième essais lors du retour à chacune des positions dans chaque direction par rapport au premier essai. La répétabilité bidirectionnelle était la valeur absolue de la différence entre les mesures réelles de position aux emplacements nominaux appariés (s'éloignant puis revenant à zéro).

Pour calibrer les axes, les pas/mm nominaux pour chaque axe sont d'abord saisis dans le fichier de configuration Duet WiFi 2. L'erreur maximale à 10 mm de course des trois essais a été déterminée, puis les pas/mm pour chaque axe ont été mis à l'échelle proportionnellement à l'erreur. Autrement dit, si le pas nominal/mm était de 376,5 et qu'il y avait une course totale de 9,887 mm, la correction serait de (10 mm)/(9,887 mm) × (376,5 pas/mm) = 380,8 pas/mm. Ce processus a ensuite été répété pour les deux autres axes. Après l'étalonnage, le processus de mesure peut être répété pour vérifier la précision.

Tous les modèles CAO 3D pour les composants en plastique imprimés de la conversion FlashForge Finder et du Replistruder 4 ont été générés à l'aide d'Autodesk Inventor 2020 (Autodesk). Les fichiers CAO et les fichiers STL du Replistruder 4 peuvent être téléchargés depuis Zenodo à l'adresse https://doi.org/10.5281/zenodo.4119127. Les fichiers CAO et STL peuvent être téléchargés sur Zenodo à l'adresse https://doi.org/10.5281/zenodo.7496012 pour la conversion de la bio-imprimante 3D FlashForge Finder, ainsi que des fichiers pour convertir les MakerGear M2 et Lulzbot Mini 2. Le modèle de grille imprimé avec un espacement de grille de 500 et 1000 µm a été généré à l'aide d'Autodesk Inventor 2020. Le modèle d'oreille a été acheté sur http://www.cgtrade r.com/ et a été généré par le vendeur Sakura-pms.

Le code G pour les composants en plastique imprimés de la conversion Flashforge Finder et du Replistruder 4 a été généré à l'aide de PrusaSlicer (Prusa). Tous les modèles ont été imprimés à partir de plastique PLA à 60 % de remplissage sans matériau de support. Le code G du modèle d'oreille a été généré à l'aide de Cura 4.3.0 (Ultimaker). Le code G pour le modèle de grille a été généré à l'aide de Simplify 3D (Simplify3D).

Le bain de support de microparticules de gélatine FRESH v2.0 a été généré via une méthode de coacervation complexe pour produire des microparticules de gélatine, sur la base de méthodes publiées13. En bref, 2,0% (p / v) de gélatine de type B (Fisher Chemical), 0,25% (p / v) Pluronic® F-127 (Sigma-Aldrich) et 0,1% (p / v) Gum arabique (Sigma-Aldrich) ont été dissous dans une solution d'éthanol de 50% (v / v) à 45 ° C dans un baiker 1 l et ajusté pour 7. Un agitateur supérieur (IKA, modèle RW20) a ensuite été utilisé pour maintenir le mélange tandis que le bêcher était scellé avec du parafilm pour minimiser l'évaporation, et le mélange a été refroidi à température ambiante sous agitation pendant une nuit. La solution résultante a été transférée dans des récipients de 250 ml et centrifugée à 300 g pendant 2 min pour compacter les microparticules de gélatine. Le surnageant a été jeté et les microparticules de gélatine ont été remises en suspension dans une solution de 50 mM d'acide 4-(2-hydroxyéthyl)-1-pipérazineéthanesulfonique (HEPES) (Corning) à pH 7,4. Pour éliminer l'éthanol et le Pluronic® F-127, le bain de support de microparticules de gélatine a ensuite été lavé trois fois avec la même solution HEPES et stocké jusqu'à utilisation à 4°C. Avant l'impression, le support non compacté a été centrifugé à 1000 g pendant 3 min puis lavé avec 50 mM HEPES. Après le dernier lavage, le bain de support de microparticules de gélatine a été mis en suspension dans de l'HEPES 50 mM, dégazé dans une chambre à vide pendant 15 min et centrifugé à 1900-2100 g, selon le niveau de compactage souhaité, pendant 5 min. Enfin, le surnageant a été éliminé et le bain de support de microparticules de gélatine a été transféré dans un récipient d'impression.

Tous les bioink de collagène de type I (LifeInk 200, Advanced Biomatrix). a été préparé comme décrit précédemment13. En bref, le stock de 35 mg/mL LifeInk a été mélangé avec des seringues dans un rapport de 2:1 avec de l'acide acétique 0,24 M pour produire une bioencre de collagène acidifié à 23,33 mg/mL. La bioencre a ensuite été centrifugée à 3000 g pendant 5 min pour éliminer les bulles. Pour l'impression, la bioencre de collagène a été transférée dans une seringue étanche au gaz de 2,5 ml (Hamilton Company).

Des photographies de constructions imprimées ont été acquises à l'aide d'un objectif de sonde Laowa 24 mm (Venus Optics) monté sur un appareil photo numérique sans miroir Sony ILCE7M. Les piles d'images OCT 3D ont été acquises à l'aide d'un système OCT Thorlabs Vega 1300 nm avec l'objectif OCT-LK4 (Thorlabs)30. Les images OCT ont été préparées pour la visualisation à l'aide de Fiji (ImageJ, NIH) avec réduction du bruit, filtrage médian et égalisation de l'histogramme de pile. Les piles d'images ont ensuite été exportées sous forme de fichiers TIF et ouvertes à l'aide de 3D Slicer33. Les fonctionnalités de rendu de volume ont ensuite été utilisées pour produire des vues 3D de l'image OCT volumétrique.

Le jaugeage a été effectué comme nous l'avons décrit précédemment30. En bref, une image volumétrique 3D de la construction de l'oreille a été capturée à l'aide de l'OCT. L'image a ensuite été nettoyée et segmentée pour produire une reconstruction 3D à l'aide de 3D Slicer33. La reconstruction 3D et le modèle 3D original ont ensuite été importés dans CloudCompare (www.cloudcompare.com)34. Dans CloudCompare, les deux objets 3D ont été alignés et enregistrés, puis la reconstruction a été mesurée par rapport au modèle 3D d'origine pour déterminer les erreurs. Les erreurs ont été calculées comme moyenne ± STD.

Des analyses statistiques et graphiques ont été effectuées à l'aide de Prism 9 (GraphPad) et d'Excel (Microsoft). Les tests statistiques ont été choisis en fonction de la taille de l'échantillon expérimental, de la distribution et des exigences en matière de données. L'analyse de l'impression de grille de 1000 et 500 µm a été réalisée à l'aide de Fiji (Image J NIH) et MATLAB (Mathworks). Pour la comparaison des deux tailles de grille, un test t non apparié à deux queues de Student a été utilisé.

Les fichiers CAO et les fichiers STL du Replistruder 4 peuvent être téléchargés depuis Zenodo à l'adresse https://doi.org/10.5281/zenodo.4119127. Les fichiers CAO et STL peuvent être téléchargés à partir de Zenodo à https://doi.org/10.5281/zenodo.7496012 pour la conversion de FlashForge Finder en bioprinter 3D. Toutes les données brutes non présentées dans le texte principal et supplémentaire sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Nous tenons à remercier Brian Coffin et Andrew Hudson pour avoir révisé les documents supplémentaires. Nous tenons également à remercier les participants à l'atelier open source 2021 et 2022 sur la bioimpression 3D du groupe Biomatériaux régénératifs et thérapeutiques pour les tests en monde réel du processus de conversion. De plus, nous tenons à remercier ChrisGilleti, utilisateur de Thingiverse (www.thingverse.com), qui a conçu le modèle original du boîtier Wi-Fi Duet2 utilisé dans cette conversion (chose 3721923).

Ce travail a été soutenu par la Food & Drug Administration (R01FD006582) et le National Heart, Lung, And Blood Institute des National Institutes of Health (1F30HL154728, K99HL155777).

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Joshua W. Tashman et Daniel J. Shiwarski.

Département de génie biomédical, Université Carnegie Mellon, Pittsburgh, PA, 15213, États-Unis

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

Département de science et génie des matériaux, Université Carnegie Mellon, Pittsburgh, PA, 15213, États-Unis

Adam W. Feinberg

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Tous les auteurs ont conçu les expériences et contribué à la planification scientifique et aux discussions. JWT et DJS ont préparé les chiffres et le texte finaux. JWT a écrit le guide de conversion. JWT a réalisé une bio-impression et une imagerie OCT. JWT et DJS ont effectué une analyse d'images à Fidji et MATLAB. JWT, DJS et AWF ont rédigé l'article et interprété les données.

Correspondance à Adam W. Feinberg.

AWF détient une participation dans FluidForm Inc., une start-up commercialisant l'impression 3D FRESH. L'impression 3D FRESH fait l'objet d'une protection par brevet, notamment le brevet américain 10 150 258 et le brevet provisoire n° 63/082621. Aucun autre auteur n'a de conflits d'intérêts.

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Réimpressions et autorisations

Tashman, JW, Shiwarski, DJ & Feinberg, AW Développement d'une bio-imprimante 3D open-source haute performance. Sci Rep 12, 22652 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26809-4

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Reçu : 11 septembre 2022

Accepté : 20 décembre 2022

Publié: 31 décembre 2022

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

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