Sviluppo di un livello elevato

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22652 (2022) Citare questo articolo

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L’applicazione della stampa 3D alla ricerca biologica ha fornito alla comunità dell’ingegneria dei tessuti un metodo per organizzare cellule e materiali biologici in complesse strutture 3D. Sebbene esistano molte piattaforme commerciali di bioprinting, sono costose e vanno da $ 5.000 a oltre $ 1.000.000. Questo elevato costo di ingresso impedisce a molti laboratori di incorporare la biostampa 3D nella loro ricerca. A causa della natura open source delle stampanti 3D desktop in plastica, un’opzione alternativa è stata quella di convertire le stampanti in plastica a basso costo in biostampanti. Sono state descritte diverse modifiche open source, ma rimane la necessità di una guida passo passo di facile utilizzo per convertire una stampante termoplastica in una biostampante utilizzando componenti con prestazioni convalidate. Qui convertiamo una stampante 3D a basso costo, FlashForge Finder, in una biostampante utilizzando la nostra pompa a siringa Replistruder 4 e il WiFi Duet3D Duet 2 per un costo totale inferiore a $ 900. Dimostriamo che la precisione della corsa della biostampante è migliore di 35 µm su tutti e tre gli assi e quantifichiamo la fedeltà stampando scaffold di collagene a reticolo quadrato con errori medi inferiori al 2%. Mostriamo anche una riproduzione ad alta fedeltà dei dati di imaging clinico stampando un'impalcatura di un orecchio umano utilizzando bioinchiostro al collagene. Infine, per massimizzare l'accessibilità e la personalizzazione, tutti i componenti che abbiamo progettato per la conversione della biostampante sono forniti come modelli 3D open source, insieme alle istruzioni per modificare ulteriormente la biostampante per ulteriori casi d'uso, risultando in una guida completa per il campo della biostampante.

La produzione additiva ha rivoluzionato diversi settori perché consente la fabbricazione di parti 3D complesse, iterazioni rapide di progettazione, personalizzazione a basso costo e l’uso di una gamma crescente di materiali di livello tecnico1. Questa transizione è stata supportata da ricercatori che sviluppano nuove metodologie di stampa 3D e da aziende che producono stampanti 3D su scala industriale per la stampa a letto di polvere, polimerizzazione in vasca, getto di legante ed estrusione di materiali (ad esempio, estrusione di filamenti termoplastici). La biostampa 3D ha il potenziale per apportare miglioramenti simili, utilizzando alcune di queste tecniche2,3,4, nel campo dell’ingegneria tissutale costruendo costrutti cellularizzati e tessuti e organi potenzialmente funzionali5,6,7,8. Invece di polimeri, metalli o ceramiche, nella biostampa 3D è il bioinchiostro che viene stampato, dove il termine bioink come usato qui include liquami cellulari ad alta densità, idrogel sintetici e naturali, idrogel carichi di cellule, inchiostri biomateriali e loro combinazioni . Tuttavia, poiché la biostampa 3D è ancora principalmente in fase di ricerca e sviluppo, gli ostacoli all’adozione diffusa servono a limitare l’innovazione. Il principale di questi ostacoli è l’alto costo delle piattaforme commerciali di bioprinting 3D di ricerca, che vanno da $ 5.000 a oltre $ 1.000.000. A questi prezzi sono generalmente necessari l’acquisto di beni strumentali e fondi dedicati, che limitano l’accesso alle strutture principali e ai laboratori di ricerca ben finanziati. Inoltre, molte di queste piattaforme di biostampa 3D sono difficili da modificare per applicazioni personalizzate senza incorrere in costi aggiuntivi, hanno una compatibilità limitata con i nuovi biomateriali e utilizzano software di stampa proprietario e un ecosistema hardware chiuso.

Una soluzione a questi problemi è emersa con la comunità di stampa 3D open source iniziata nei primi anni 2000 e accelerata con la scadenza dei brevetti nazionali e internazionali sulla modellazione a deposizione fusa (FDM) nel 20099. Per la prima volta, la stampa 3D in plastica è passata da da una tecnica relativamente costosa, che utilizza attrezzature e materiali proprietari dominati da grandi aziende, a un movimento open source stimolato da aziende startup e stampanti 3D poco costose che potrebbero essere utilizzate da chiunque. Già nel 2012, i ricercatori hanno iniziato a convertire queste stampanti termoplastiche a basso costo, continuamente migliorate dalla comunità open source, in biostampanti in grado di produrre risultati di alta qualità per decine di migliaia di dollari in meno rispetto alle alternative commerciali. Allo stesso modo, i primi lavori su biostampanti 3D personalizzate come il progetto fab@home alla Cornell hanno mostrato il potenziale della costruzione di piattaforme open source a costi relativamente bassi10. Durante questo periodo il nostro gruppo di ricerca ha convertito un'ampia gamma di stampanti termoplastiche open source (ad esempio MakerBot Replicator, LulzBot Mini 2, PrintrBot Simple Metal, FlashForge Creator Pro, MakerGear M2) in biostampanti 3D ad alte prestazioni11,12,13. Ciò ci ha permesso di sfruttare il sistema di movimento a 3 assi di alta qualità già presente in queste stampanti open source, con la sola necessità di aggiungere i componenti, come l'estrusore con pompa a siringa, specificamente richiesti per la biostampa di cellule e bioinchiostri liquidi. Inoltre, il nostro approccio utilizza lo stesso motore passo-passo dell’estrusore di filamento originale della stampante termoplastica per azionare l’estrusore con pompa a siringa della biostampante. Ciò significa che è possibile utilizzare più pacchetti software open source di alta qualità per suddividere i modelli 3D in codice G e per controllare il processo di stampa, proprio come nella stampa su plastica.