スタンフォード大学は、マルチマテリアルと高スループットの DIW を実現する低コストのオープンソースバイオプリンターを開発しました。

はじめに: 直接インク書き込み (DIW) は、主にバイオプリンティングに使用される材料押し出し (MEX) 3D 印刷技術であり、特にソフトマテリアルやバイオマテリアルにおいて最も広く使用されている 3D 印刷技術の 1 つになっています。ステレオリソグラフィー (SLA) やインクジェット印刷とは異なり、DIW は幅広い材料の粘度と化学特性に対応できるため、組織工学、ロボット工学、材料科学において非常に貴重です。大きな可能性を秘めているにもかかわらず、既存の DIW システムは 10,000 ドルから 200,000 ドルと非常に高価です。これらのシステムはクローズドソースであることが多いため、研究者が特定のアプリケーションに合わせてハードウェアやソフトウェアを変更することが制限されます。

2025 年 1 月 9 日、Antarctic Bear は、上記の課題に対処するために、スタンフォード大学のチームが開発した Printess バイオプリンターが低コストのオープンソースソリューションを提供することを知りました。マルチマテリアルと高スループットの印刷が可能なこの 250 ドルの DIW プリンターは、優れた精度、アクセシビリティ、汎用性を備えており、研究や教育における幅広い用途への道を開きます。

DIWの背後にあるテクノロジー
DIW は、材料を制御された方法で層ごとに堆積させる 3D 印刷方法です。 SLA や熱溶解積層法 (FDM) とは異なり、DIW では粘弾性インクやバイオインクを使用できるため、バイオプリンティング、エネルギー貯蔵、構造工学などの分野での応用の可能性が広がります。ハイドロゲルからエラストマーまで幅広い材料を加工できるDIW は、ソフトロボット、軽量ラティス、生体模倣組織の製造に不可欠な技術となっています。しかし、バイオプリンティング用の従来の DIW プリンターは高価であり、独自のエコシステムに依存しているため、多くのユーザーにとって柔軟性とアクセシビリティが制限されています。
市販の DIW システムには、特に研究者や教育者にとって参入障壁が大きくあります。これらは高価であり、小規模な研究室や教育機関には手が届きません。さらに、これらのシステムはクローズドプラットフォーム上に構築されることが多く、ユーザーがハードウェアを変更したり、従来とは異なる材料を試したりする能力が制限されます。オープンソースソリューションであっても、多くの場合、既製のコンポーネントを変更して使用しているため、コストと複雑さが増し、適応性が低下します。これらの制限により、コスト効率が高く、汎用性の高い、ボトムアップのカスタマイズ可能な設計の必要性が浮き彫りになります。

プリンテスの紹介
Printess は、高度な 3D 印刷技術を民主化することを目的としたオープンソースの DIW プラットフォームです。 Printess は、6 つのリニアアクチュエータ、マイクロコントローラ、および安価な 3D プリントおよびレーザーカット部品で構成されており、コンパクトで軽量、組み立ても簡単です。動作精度は 10 µm で、マルチマテリアルグラデーション、埋め込み印刷、アクティブミキシングなどの高度な DIW モードをサポートします。市販の代替品とは異なり、Printess では、ユーザーが構築ボリューム、プリントヘッド、および材料機能を特定のニーズに合わせてカスタマイズできます。すべての設計ファイル、組み立て手順書、ファームウェアはオンラインで無料で入手できるため、コラボレーションとイノベーションを促進する環境が促進されます。
Printess シャーシは、レーザーカットされたアクリルパネルと 3D プリントされたブラケットで構成されており、素早い組み立てと簡単なカスタマイズが可能です。 6 つの NEMA 11 リニアアクチュエータがその動作を駆動し、x、y、z 軸の正確な制御と、2 つのシリンジポンプエクストルーダーからの押し出しを実現します。 80mm x 80mm x 80mm の造形ボリュームは、小規模で高精度な印刷に最適化されています。このプリンターは、Marlin ファームウェアの修正バージョンを実行する RepRap RUMBA+ ボードを搭載しており、標準のスライスソフトウェアとの互換性が確保されています。加熱プリントベッドやタッチスクリーンコントロールなどのオプション機能により、汎用性がさらに高まります。モジュール設計により、プリンターは 1 時間以内に組み立てられ、初心者ユーザーと専門家の両方が使用できます。

スタンフォード大学のバイオプリンティング
Printess プロジェクトは、Mark Skylar-Scott 氏が率いるチームによって making@stanford の支援を受けて実施され、学部生、修士課程、博士課程の学生を含む 13 人の学生が参加した総合コース BIOE 261: 3D バイオプリンティングラボが先頭に立って実施されました。 BIOE 261 コースは、10 週間にわたる理論講義と実践セミナーで構成され、最初の 5 週間は没入型の実践学習に充てられ、その後、学生が 3 人ずつのグループに分かれて共同で研究プロジェクトに取り組むプロジェクトフェーズが続きます。
コース全体を通して、Skylar-Scott 氏は、学生に 3D バイオプリンティングの基本的なスキルと知識を身につけてもらうために 6 つのワークショップを開催しました。ワークショップでは、キットから 3D バイオプリンターを組み立てて構成する方法、マルチマテリアル印刷用の G コードを生成する方法、三葉心臓弁などの複雑な構造を製造するための埋め込み型 3D バイオプリンティングを実行する方法など、さまざまな側面について段階的に手順を説明します。さらに、学生たちはヒト細胞の培養、バイオインクの調製、染色技術を使用して印刷された組織内の細胞の挙動を評価することに習熟しました。特に、彼らは、マルチマテリアル印刷やコアシェルノズル設計など、さまざまな用途向けのカスタムノズルを作成することで、3D 印刷の複雑さにも取り組みました。

これらのワークショップの全体的な学習目標は多面的です。学生は、マルチマテリアル 3D バイオプリンティングの複雑さを習得するだけでなく、バイオインクの配合、細胞培養技術、顕微鏡分析に関する基本的な指導も受けます。さらに、3D CAD 設計と印刷方法のスキルを磨き、3D バイオプリンティング技術のさまざまな方法と原理について深い理解を得ました。
コースはプロジェクト段階に入り、学生はそれぞれ 2 ～ 3 人のメンバーで構成される 5 つのグループに分けられました。彼らが手がけたプロジェクトは、ノズルの自動調整用の電子センサーの開発から、低コストの 3D プリントスパイラルディスペンサーの設計と製造まで多岐にわたります。注目すべきことに、いくつかのチームは、バルブ付きバイオポンプを構築するために人間の心臓細胞を 3D プリントするなど、最先端の研究に取り組んでおり、BIOE 261: 3D バイオプリンティングラボによって促進されるイノベーションの可能性を示しています。
印刷性能とアプリケーション<br /> Printess は低コストにもかかわらず、優れたパフォーマンスを提供します。精密テストでは、ギャップ誤差が最小限で、±5 µm の再現性が示されました。押し出しシステムはさまざまな注射器サイズをサポートし、さまざまな粘度の材料を印刷できます。プリンターのマルチマテリアル機能には、2 つ以上のマテリアルをリアルタイムで組み合わせてグラデーションや Janus フィラメントを作成するアクティブブレンディングが含まれます。また、マルチマテリアル、マルチノズル印刷もサポートしており、複雑なデザインの高スループット製造を可能にします。これらの機能により、Printess は、材料の組成と構造の正確な制御が重要な組織工学などのアプリケーションに適しています。
Printess は多くの分野でその有用性を実証してきました。バイオプリンティングの分野では、生存率の高い細胞を含んだ構造を作成するために使用されており、組織工学研究のための低コストの代替手段を提供しています。光硬化性ハイドロゲルや熱硬化性エラストマーを印刷できるため、エネルギー貯蔵やロボット工学への応用範囲が広がります。教育の場において、Printess は、学生が商用システムの経済的障壁なしに高度な印刷技術を探求できる貴重な教育ツールです。モジュール設計とオープンソースの性質により、ワークショップや共同プロジェクトに最適で、実践的な学習とイノベーションを促進します。
既存のフレームワークに統合する
Printess は、広く使用されているソフトウェアおよびハードウェアプラットフォームとシームレスに統合されます。 Windows および macOS オペレーティングシステムと互換性があり、Pronterface などのグラフィカルインターフェイスをサポートしているため、簡単に操作できます。広く認知されているオープンソースファームウェアを使用することで、ユーザーはシステムを特定のニーズに合わせて調整することができます。この柔軟性は、最先端のプロジェクトに取り組んでいる研究者にとって非常に重要です。研究者は、新しいアプリケーションや材料に対応するためにプリンターを変更できるからです。
高度な 3D プリンティングへの参入コストを下げることで、Printess は組織工学、ソフトロボティクス、材料科学などの分野に革命をもたらします。オープンソース設計により、研究者は組み込みアクティブミキシングや高スループットのマルチノズルアレイなどの革新的な印刷モードを探索できます。造形ボリュームから押し出しシステムまで、プリンターのあらゆる側面はカスタマイズ可能であり、DIW テクノロジーの進歩に合わせて進化することができます。

スタンフォード大学は、マルチマテリアルと高スループットの DIW を実現する低コストのオープンソースバイオプリンターを開発しました。

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