Scientific Reports: 高い忠実度と容易な変更性を備えた高性能オープンソース 3D バイオプリンターの開発!

はじめに: 生物学研究における 3D プリントの応用は、組織工学コミュニティにおける組織の 3D 構築の方法を提供します。現在、多くの商用バイオプリンティングプラットフォームが存在しますが、その価格は 5,000 ドルから 100 万ドル以上にも及び、高価です。この高額な導入コストにより、多くの研究室では 3D バイオプリンティングを研究に取り入れることができません。デスクトップのプラスチック 3D プリンターはオープンソースであるため、研究者は低コストのプラスチックプリンターをバイオプリンターに変換しました。市場にはすでにオープンソースの 3D バイオプリンターがいくつか出回っていますが、今必要なのは、誰でも熱可塑性プリンターをバイオプリンターに変換できるようにする具体的な操作手順です。

この目的のために、カーネギーメロン大学の研究者たちは、低価格の 3D プリンター「FlashForge Finder」をバイオプリンターに改造しました。彼らの研究結果は、「高性能オープンソース 3D バイオプリンターの開発」というタイトルで Scientific reports に掲載されました。

研究者らが開発したバイオプリンターは、3つの座標方向すべてで35ミクロン未満の移動精度を誇り、正方形のドットマトリックスコラーゲンスキャフォールドを印刷することで忠実度を定量化しました。結果、平均誤差は2%未満であることが示されました。研究者らはまた、コラーゲンバイオインクを使用して人間の耳のスキャフォールドを印刷する方法も実証し、プリンターが臨床画像データを高い忠実度で複製できることを実証した。最後に、アクセシビリティとカスタマイズ性を最大限に高めるために、バイオプリンター変換用に設計されたすべてのコンポーネントは、さらに変更するための手順を含むオープンソースの 3D モデルとして提供されます。

プラスチックプリンターをバイオプリンターに改造する

△ プラスチックプリンターをバイオプリンターに変換する手順

プラスチックプリンターの電子機器と制御システムは、バイオプリンティングに対応するために変更するか、交換する必要があります。
●R&D 担当者は、モーションコントロールのパフォーマンスを向上させるために、独自の FlashForge Finder モーションコントロールボードをオープンソースの Duet 2 WiFi モーションコントロールボードに置き換えました。

●次に、プリンターに付属の熱可塑性押出機を、オープンソースの高性能シリンジポンプ押出機であるReplistruder 4に交換します。 Replistruder 4 のコンポーネントのほとんどは、プラスチックで 3D プリントでき、一般的なハードウェアを使用して組み立てることができます。

キャリッジプラットフォームは、プリンターの既存のリニアモーションコンポーネントの上にマウントし、Replistruder 4 のマウントポイントを提供するように設計されています。

●ファインダーにはあらかじめ熱可塑性プリントヘッドが取り付けられています。

3Dバイオプリンターの機械的特性

△プリンターストロークの測定と補正

プリンターの改造が完了したら、3D バイオプリンターのビルドボリュームを決定するために、X、Y、Z 軸の移動精度と寸法を測定する必要があります。プリンターのX軸ストロークは105mm、Y軸ストロークは150mm、Z軸ストロークは50mm、総印刷体積は787.5立方センチメートルであることが測定されています。キャリブレーション後のバイオプリンターの移動の最大誤差は 35 ミクロンで、最悪の場合の再現性は 65 ミクロンでした。位置誤差はキャリブレーション前は直線的に増加しますが、キャリブレーション後は大幅に減少します。このような調整、または少なくともエラーの測定がなければ、印刷された構造の欠陥がプリンタ自体によるものか、印刷品質に影響を与える他の要因によるものかを判断することは不可能です。

バイオプリンターの印刷忠実度を評価する

△グリッドや複雑な形状を正確な寸法で印刷

3D バイオプリンターは、システムの機械的限界に近いバイオインクを印刷できないため、印刷された構造の忠実度と解像度を定量化できないことがよくあります。しかし、FRESH13 などの埋め込み型バイオプリンティング技術の進歩により、解像度が 20 μm に近い押し出しバイオプリンティングが可能になりました。バイオプリンターの印刷機能を実証するために、研究者らは、1000μmと500μmの間隔で構成された正方格子の足場設計を作製し、I型コラーゲンバイオインクから印刷する際の精度を測定するとともに、より複雑な3D形状である耳の足場も印刷しました。

テスト結果によると、最初の印刷部品である正方形格子ブラケットの 1000 ミクロンと 500 ミクロンのグリッドは予想サイズと非常によく一致しており、わずかな偏差は印刷後の後処理の影響によるものであると考えられます。 2 番目の部分である耳の足場は、バイオプリンターがより複雑な 3D 形状を製造できることを実証し、定量的な測定により、コラーゲンバイオインクを使用して達成された忠実度が、他の 3D バイオプリンターを使用して公開された結果と同様であることが確認されました。改造された 3D バイオプリンターは、正確な動きと、希望する形状の高忠実度の印刷が可能です。

展望<br /> 研究者たちは、プラスチックプリンターを生物学的 3D プリンターにうまく変換することで、この 3D バイオプリンターが、オープンサイエンスが研究の進歩を加速させる影響と、低コストで高性能な科学ツールをできるだけ多くの研究者や研究室に提供することの重要性を示す出発点となることを期待しています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26809-4

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