Un multi piratable

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12294 (2022) Citer cet article

5412 Accès

5 Citations

75 Altmétrique

Détails des métriques

L'impression tridimensionnelle (3D) est devenue un outil puissant pour la recherche et le développement dans les domaines des matériaux, de l'alimentation et des sciences de la vie, où la démocratisation de la technologie nécessite l'avancement des plateformes open source. Ici, nous avons développé une imprimante 3D d'extrusion piratable, multifonctionnelle et modulaire pour les matériaux souples, surnommée Printer.HM. Les modules multi-têtes d'impression sont établis sur la base d'un bras robotique pour la création de constructions hétérogènes, où l'imprimabilité de l'encre peut être réglée par des accessoires tels que des modules de chauffage et UV. Les logiciels associés à Printer.HM ont été conçus pour accepter des entrées de géométrie, y compris des modèles de conception assistée par ordinateur, des coordonnées, des équations et des images, pour créer des impressions de caractéristiques distinctes. Printer.HM pourrait en outre effectuer des opérations polyvalentes, telles que la distribution de liquide, l'impression non plane et le prélèvement et le placement d'objets méso. En combinant les paramètres logiciels et matériels, Printer.HM a démontré l'impression d'actionneurs souples sensibles au pH, d'hydrogels fonctionnels à base de plantes et de modèles macro-anatomiques d'organes. Intégrant l'abordabilité et la conception ouverte, Printer.HM est envisagé de démocratiser l'impression 3D pour les architectures de matériaux souples, biologiques et durables.

L'avènement de l'impression 3D offre des libertés potentielles pour créer rapidement une matière architecturale arbitraire à partir d'une grande variété et combinaison de matériaux souples et fonctionnels, révolutionnant divers domaines de recherche, de l'alimentation à l'ingénierie tissulaire, en passant par l'électronique douce et la robotique1,2,3,4,5,6. Parmi les différentes modalités d'impression 3D pour les matériaux souples, l'impression par extrusion est sans doute la modalité la plus largement utilisée en raison de sa large compatibilité matérielle, de sa faible utilisation de matériaux, de ses faibles déchets et de sa capacité à contrôler spatialement les propriétés de construction2,3,7,8,9, telles que la composition10, les propriétés photoniques11, l'orientation des fibres encapsulées12,13 et les propriétés ferromagnétiques14. Cependant, les innovations en cours dans l'impression 3D par extrusion doivent surmonter la barrière des coûts et l'adaptabilité limitée associée aux systèmes commerciaux existants. Bien que plusieurs imprimantes 3D à extrusion sur mesure et open source aient été signalées15,16,17,18,19, les matériaux et architectures imprimables étaient limités par un ensemble incomplet d'outils auxiliaires et d'options de chemin d'impression (comme résumé dans le tableau supplémentaire I et la figure supplémentaire 1). Pour démocratiser l'impression par extrusion multifonctionnelle, nous rapportons le développement d'une imprimante 3D multi-têtes d'impression et hautement personnalisable basée sur l'extrusion pour les matériaux souples. Nous nommons ici l'imprimante "Printer.HM", où HM signifie Hackable et Multifonctionnel. Printer.HM peut facilement accepter différentes entrées de géométrie, telles que des coordonnées, des équations et des images, en plus de l'entrée de code G de conception assistée par ordinateur (CAO) conventionnelle. Le coût total d'établissement d'une version de Printer.HM est compris entre 900 et 1 900 £ (ce qui prend entre 2 et 4 h de temps d'installation, hors temps d'impression des pièces), selon le nombre d'utilitaires équipés. Printer.HM offre une excellente compatibilité d'impression avec une grande variété de matériaux liquides et mous (de mPa s à kPa s); et une myriade d'opérations peuvent être effectuées, y compris la distribution de liquide, l'impression multi-matériaux, l'impression à vitesse variable, l'impression non plane et l'application pick-and-place. Grâce à la conception modulaire de « Printer.HM » et à l'utilisation d'un bras robotisé comme contrôle de mouvement, les utilisateurs peuvent facilement assembler et reconfigurer la configuration, et étendre ses fonctionnalités, en fonction des besoins expérimentaux de chacun. Dans l'ensemble, nous prévoyons que la nature piratable, extensible et abordable de Printer.HM peut promouvoir l'adaptabilité généralisée de la technologie d'impression 3D par extrusion, facilitant les innovations ouvertes dans les communautés de recherche qui utilisent des matériaux souples, biologiques et durables.

La figure 1 met en évidence les principales caractéristiques de « Printer.HM », une imprimante 3D basée sur l'extrusion en tant qu'alternative abordable et piratable aux bio-imprimantes commerciales (voir le tableau supplémentaire 2 pour une comparaison de leurs spécifications). Le système est construit sur un bras robotique piratable (voir la Fig. 2 supplémentaire pour une configuration réelle), qui ne repose pas sur la réaffectation d'une imprimante de modélisation par dépôt de fusion existante, car leur micrologiciel propriétaire peut encore limiter sa personnalisation et le nombre d'utilitaires (par exemple, têtes d'impression et module UV) pouvant être installés dans le système18,20. Logé dans un boîtier et construit sur une planche à pain en aluminium pour faciliter la reconfiguration des différents modules, la partie centrale de l'imprimante se compose de modules de distribution (c'est-à-dire quatre têtes d'impression à piston personnalisées) ; et une platine, dont la commande de mouvement est assurée par le bras robotisé. L'utilisation d'un plateau bâti mobile commandé par un bras robotisé, en lieu et place d'un ensemble d'étages linéaires Gantry 3 axes, offre ici des avantages de compacité et de facilité de montage. Le volume de construction estimé de Printer.HM est d'environ 490 cm3, limité par la capacité de charge utile maximale du bras robotique.

Caractéristiques de Printer.HM, qui se compose d'outils multi-auxiliaires en tant que matériel et d'entrées de géométrie flexibles en tant que logiciel, conduisant à des fonctionnalités multiples sur une seule plate-forme.

Comme la compétence d'impression des matériaux souples dépend de manière cruciale de la rhéologie et de la réticulation des encres3, 'Printer.HM' est équipé d'outils auxiliaires supplémentaires, notamment un chauffe-seringue, un chauffe-plat et un module UV pour aider l'impression d'hydrogels (Fig. 2 supplémentaire). Les réchauffeurs sont capables de contrôler les températures de la scène et de la seringue de la température ambiante à ~ 60 ° C, ce qui est suffisant pour la plupart des types d'hydrogels et de matériaux élastomères. Diverses étapes ont été conçues sur mesure pour s'adapter à différentes tailles de substrats ou de réservoirs récepteurs, y compris des lames de verre standard, des boîtes de Pétri (90, 55 et 35 mm) et des récipients rectangulaires (40 et 30 mm) (Fig. 2b supplémentaire). Les têtes d'impression de 'Printer.HM' ont été construites à partir de composants mécaniques simples, tels que des vis-mères, des moteurs micro-pas à pas avec une résolution de distribution de 0,8 µm par pas (voir la note complémentaire V) et des rails linéaires pour une stabilité et une compacité accrues. Les porte-seringues des têtes d'impression ont été imprimés en 3D, permettant une personnalisation pour s'adapter à différentes tailles d'utilitaires de distribution spécifiques aux expériences des utilisateurs. Comme preuve de concept, nous avons personnalisé les têtes d'impression pour accueillir des seringues de 3 ml ou 1 ml compatibles avec la plupart des applications en laboratoire.

Il est important de pouvoir adapter librement le chemin d'impression car il contrôle directement les propriétés des constructions imprimées, telles que leurs propriétés mécaniques21, le comportement de morphing sensible aux stimuli12,22 et l'orientation des cellules dans les constructions23. Les imprimantes commerciales et existantes basées sur l'extrusion sur mesure utilisent généralement des modèles CAO/code G comme seule option pour décrire les conceptions d'impression1,3,7 (tableaux supplémentaires 1 et 2). Le manque d'options d'entrée de géométrie offertes dans ces systèmes pourrait restreindre la liberté de conception et la personnalisation du chemin d'impression, en particulier pour les structures d'actionneur24. Ainsi, printer.HM a été conçu pour accepter quatre entrées géométriques différentes pour créer des impressions de caractéristiques distinctes. Ce sont des coordonnées, des équations, des codes G et des images.

Dans l'ensemble, la conception modulaire de « Printer.HM » permet aux utilisateurs de reconfigurer la configuration en fonction de leurs besoins expérimentaux et de la limitation des ressources, tout en encourageant la communauté de recherche à étendre les fonctionnalités du système via la conception de nouveaux modules. Comme preuve de concept, quatre têtes d'impression ont été construites ici. Le coût total de ce système entièrement équipé et à quatre têtes d'impression est d'environ ~ 1900 £, tandis qu'un système à tête d'impression unique coûte ~ 900 £. Cela offre des économies de coûts significatives par rapport aux bioprinters commerciaux3. Le temps d'installation de 'Printer.HM' est d'environ 2 à 4 h, sans compter le temps nécessaire pour l'impression 3D des pièces. Une instruction étape par étape de l'assemblage de l'imprimante est fournie dans la note complémentaire III, pour favoriser la reproductibilité du système.

Par rapport aux imprimantes open-source existantes, l'ensemble plus large d'outils auxiliaires associés à « Printer.HM » améliore considérablement sa capacité à construire différents matériaux et combinaisons de géométrie (voir Fig. 1 supplémentaire et Tableau supplémentaire 1). À titre d'exemple, Printer.HM a été utilisé pour effectuer une impression par extrusion de matériaux mous qui nécessitent différents mécanismes de gélification, y compris la gélification induite thermiquement et la réticulation photo-induite, comme le montre la figure 2a. Les hydrogels thermosensibles s'auto-assemblent et subissent des transitions de phase à leurs températures critiques qui sont définies par la température de solution critique inférieure (LCST) ou la température de solution critique supérieure (UCST)25,26. Les hydrogels UCST, y compris la gélatine et l'agarose, subissent une formation de gel lors du refroidissement à une température inférieure à leur UCST27,28. Au contraire, la gélification des hydrogels LCST (par exemple Pluronic F127) se produit lors de l'augmentation de la température au-dessus de leur LCST28. Avec Printer.HM, le réchauffeur de seringue assiste l'impression d'hydrogels UCST (c'est-à-dire la gélatine) en chauffant les encres pendant l'extrusion, tandis que le réchauffeur de scène aide à préserver la forme imprimée des hydrogels LCST en améliorant sa rhéologie à température élevée sur la plaque construite. Le module UV permet la réticulation in-situ des hydrogels photo-polymérisables (ie méthacrylate hydroxypropyl cellulose29) lors de l'impression. De plus, comme le montre la Fig. 2b, l'imprimante est capable d'imprimer une grande variété de biomatériaux, du diacrylate de poly (éthylène glycol) (PEGDA, une encre à faible viscosité avec une viscosité de 20 mPa s30), du collagène, de l'élastomère de silicone (voir la Fig. 8 supplémentaire) à une solution très visqueuse de carboxyl méthyl cellulose sodique (1500 Pa s).

(a) Figure montrant l'utilisation de différents outils auxiliaires pour aider l'impression d'hydrogels LCST (par exemple Pluronic F127), d'hydrogels UCST (par exemple gélatine) et d'hydrogels photopolymérisables (par exemple méthacrylate hydroxypropyl cellulose). (b) Une grande variété de matériaux sur une large plage de viscosité peut être imprimée à l'aide de la configuration. (c) Répartition de la largeur de ligne des filaments Pluronic F127 imprimés fabriqués à l'aide d'une aiguille 34G, un débit d'extrusion de 825 μL/h et une vitesse de palier de 5 mm/s. Largeur de ligne médiane = ~ 150 μm. (n = 120 mesures sur 4 échantillons indépendants). (d) Figure comparant la largeur de ligne théorique et la largeur de ligne mesurée (n ≥ 20) obtenue lorsque différents paramètres d'impression ont été utilisés (c'est-à-dire la vitesse de l'étage, le débit d'extrusion et la taille de l'aiguille). Les expériences ont été réalisées avec du Pluronic F127 dans des conditions de surextrusion, où la largeur de ligne théorique résultant du réglage d'impression est supérieure à la taille de l'aiguille. L'écart des points par rapport à la ligne d'identité (y = x, représenté par une ligne noire) indique l'écart entre les largeurs de ligne mesurées et théoriques. Barres d'échelle en (a) et (b) = 5 mm. Barre d'échelle en (c) = 500 µm.

Nous démontrons en outre la résolution d'impression de 'Printer.HM' en imprimant un motif de ligne avec Pluronic F127. Le test a été réalisé avec Pluronic F127 tel qu'il est couramment utilisé dans la littérature. En utilisant un réglage non optimisé des paramètres de fonctionnement, la caractéristique médiane Pluronic F127 obtenue avec 'Printer.HM' était d'environ ~ 150 µm (Fig. 2c), ce qui est comparable à la résolution généralement atteinte dans la bio-impression par extrusion7,31. Cependant, il convient de noter que la résolution des caractéristiques imprimées est principalement déterminée par les propriétés de l'encre. Pour évaluer davantage les performances de Printer.HM, nous avons mesuré les largeurs de ligne du filament résultant de différents réglages de débit d'extrusion (\(Q\)) et de vitesse d'étape (\(v_{stage}\)), et comparé la largeur de ligne mesurée avec la largeur de ligne théorique (~ \(\sqrt {\frac{4Q}{{\pi \cdot v_{stage} }}}\), voir la note complémentaire VII pour plus d'informations). Comme le montre la figure 2d, une valeur de r2 proche de 1 est trouvée, indiquant un bon accord entre les largeurs de ligne mesurées et théoriques et suggérant ainsi les performances satisfaisantes de Printer.HM.

La figure 3 illustre la grande variété de constructions fabriquées à l'aide de différentes entrées de géométrie, chacune avec ses propres forces en fonction des exigences de l'architecture. Étant la forme la plus ordinaire des entrées de géométrie, les coordonnées sont particulièrement utiles pour créer de simples motifs linéaires ou réguliers, tels que des canaux unidimensionnels (Fig. 3a, Vidéo supplémentaire 1). Pendant ce temps, l'entrée d'équation permet la création de motifs courbes en un seul trait, mais elle ne convient pas aux motifs complexes qui ne sont pas descriptibles par des équations (Fig. 3b, Vidéo supplémentaire 2). La figure 3b montre que des constructions tubulaires simples peuvent être facilement produites via une équation de cercle, sans qu'il soit nécessaire de préparer des fichiers CAO. D'autre part, les objets complexes en trois dimensions peuvent être bien décrits par des modèles CAO 3D, le format de géométrie standard utilisé dans l'impression 3D (Fig. 3c, Vidéo supplémentaire 3). Enfin, la saisie d'images permet de créer des motifs personnalisés via des photos de motifs dessinés à la main ou des images créées par n'importe quel logiciel de dessin. En tirant parti de l'option d'entrée d'image, des modèles conçus par l'utilisateur, par exemple des modèles de type circuit et vasculaire, peuvent être facilement fabriqués (Fig. 3d.i – d.ii).

Les options d'entrée de géométrie polyvalentes permettent de créer des impressions avec différentes caractéristiques, via (a) des coordonnées, (b) des équations, (c) des modèles CAO qui ont ensuite été traduits en code G et (d) des géométries d'image. Les matériaux utilisés ici peuvent être trouvés dans les matériaux et méthodes et le tableau supplémentaire 6. Barres d'échelle = 5 mm.

Pour illustrer davantage les avantages de la personnalisation du chemin d'impression, en particulier pour les applications de robotique douce, nous avons démontré la création d'un système de morphing doux constitué d'un hydrogel sensible au pH en tirant parti d'un chemin d'impression anisotrope. Comme le montrent la Fig. 3d.iii et la vidéo supplémentaire 4, la construction 2D créée avec un chemin d'impression hétérogène a présenté une réponse de gonflement anisotrope et s'est transformée en une forme de fleur. Il convient de mentionner que la flexibilité de fonctionnement ne se limite pas aux quatre entrées de géométrie fournies ici. Comme le programme de contrôle est entièrement piratable, les utilisateurs peuvent librement modifier le programme pour des conceptions sans précédent.

Grâce au programme de contrôle personnalisable, les opérations avec 'Printer.HM' sont modifiables par l'utilisateur et multifonctionnelles. Nous démontrons que des opérations, telles que la distribution automatisée, l'impression à vitesse variable et l'impression non plane, peuvent être effectuées avec 'Printer.HM'. À titre d'exemple, la manipulation des liquides joue toujours un rôle indispensable dans les expériences en sciences de la vie. Ainsi, nous avons transformé 'Printer.HM' en distributeur en modifiant le programme de contrôle. La figure 4a et la vidéo supplémentaire 5 montrent que des gouttelettes de suspension cellulaire ont été automatiquement distribuées sur une boîte de Pétri. Le volume distribué des gouttelettes est contrôlable par le débit d'extrusion et la durée de distribution. En réglant simplement une durée différente du temps de distribution, des gouttelettes de différentes tailles ont été obtenues. Cette capacité pourrait être utile pour automatiser la méthode de la goutte suspendue pour produire des sphéroïdes cellulaires et distribuer des ingrédients actifs dans un objet imprimé.

Fonctionnalités polyvalentes de Printer.HM. (a) Distribution automatisée de la suspension cellulaire sur une boîte de Pétri à (ai) des volumes de gouttelettes constants et (a.ii) des volumes de gouttelettes variables. La flèche noire dans (a.ii) indique la direction du chemin de distribution, et les flèches blanches représentent la variation contrôlable de la taille des gouttelettes du petit au grand volume. (b) Une courbe en spirale en Pluronic F127 imprimée à vitesse variable. (c) Impression non plane d'un motif de ligne Pluronic F127 sur un modèle de nez 3D. Barres d'échelle = 5 mm.

Les caractéristiques dont la largeur se rétrécit continuellement peuvent être facilement générées avec une vitesse variable de la scène, comme le montre la figure 4b, ce qui peut aider à créer un réseau vasculaire hiérarchique. En outre, nous démontrons la capacité d'effectuer une impression non plane à l'aide de la plate-forme. Contrairement aux imprimantes 3D commerciales conventionnelles qui reposent sur le découpage plan par plan, l'impression non planaire nécessite que l'encre soit imprimée sur une surface de forme libre en déplaçant la partie mobile de l'imprimante sur les 3 axes en même temps. La figure 4c et la vidéo supplémentaire 6 montrent qu'un motif de ligne a été imprimé sur un modèle de nez cible 3D. La surface 3D de l'objet cible a été évaluée à l'aide d'un scanner 3D et le motif de ligne a été projeté selon la géométrie non plane à l'aide d'un code personnalisé (décrit plus en détail dans Matériels et méthodes). Avec la possibilité de déposer des encres directement sur des surfaces d'objets variables, de nouvelles applications de la technologie d'impression par extrusion 3D pourraient devenir possibles, telles que le dépôt de circuits de forme libre32 et de matériaux fonctionnels. Enfin, nous démontrons le "pick-and-place" basé sur la buse de méso-objets dans la Fig. 5a et la vidéo supplémentaire 7. Une telle opération permet des applications pour localiser des sphéroïdes cellulaires entre différents environnements.

(a) Opération automatique de ramassage et de placement, montrant (i) le ramassage, (ii) le transfert et (iii) le placement des objets imprimés dans les micropuits ciblés. Les objets imprimés composés de 6 % p/v de gélatine et de 1 % p/v d'alginate ont été colorés avec de la fluorescéine de sodium et une touche UV a été utilisée pour illustrer les objets. (b) Impression dans l'air de (i) une encre Pluronic F127 et (ii) plusieurs encres Pluronic colorées avec différentes couleurs. ( c ) Impression intégrée d'une encre d'hyaluronate de sodium dans un bain de Carbopol et (ii) de plusieurs encres d'alginate colorées de différentes couleurs dans un bain de gomme de xanthane pour former une structure pulmonaire. Barres d'échelle = 5 mm.

Les multiples têtes d'impression équipées de « Printer.HM » facilitent la fabrication de constructions multi-matériaux. À titre de démonstration, la Fig. 5b.ii montre une construction à quatre couches composée d'encres Pluronic F127 colorées avec différents colorants imprimés dans l'air, et un modèle du système respiratoire avec poumons et trachée composé d'encres d'alginate imprimées à l'intérieur d'un bain de support (Fig. 5c.ii – c.iii). Cette capacité ouvre un potentiel futur dans la génération d'anatomies tissulaires sophistiquées, qui sont généralement multi-composants et spatialement hétérogènes.

L'impression 3D par extrusion est une approche prometteuse pour la fabrication de constructions de tissus mous et d'actionneurs mous biomimétiques3,33. Cependant, les imprimeurs commerciaux peuvent généralement être d'un coût prohibitif, ne permettent pas une personnalisation suffisante et fonctionnent à un volume relativement élevé, ce qui peut ne pas être compatible avec de nombreux matériaux biologiques, tels que les matériaux à base de protéines. Ces limitations entravent considérablement l'innovation continue de la technologie et son adoption généralisée, en particulier dans les communautés aux ressources limitées3. Pour remédier à ces limitations, nous présentons ici une imprimante 3D à extrusion open source abordable et hautement personnalisable, Printer.HM, qui est équipée de plusieurs têtes d'impression, d'éléments chauffants et d'un module UV pour l'impression de matériaux souples. L'imprimante a été construite à partir de composants mécaniques simples et de pièces imprimées en 3D qui peuvent être facilement obtenues et fabriquées. Un bras robotique a été utilisé comme commande de mouvement car il offre les avantages de la compacité et de la facilité de montage. Printer.HM offre un prix abordable (£ 1900 pour un système à quatre têtes d'impression) et une compatibilité avec des seringues de plus petite taille, ce qui est souhaitable dans les applications biologiques à petite échelle. Remarquablement, les options d'entrée de géométrie non conventionnelles offertes dans « Printer.HM » permettent la fabrication d'impressions avec un design distinct. En utilisant l'entrée de géométrie d'image, les utilisateurs sans expérience en CAO peuvent facilement personnaliser le chemin d'impression, ce qui est particulièrement bénéfique pour contrôler les comportements de morphing des hydrogels sensibles aux stimuli. Malgré le faible coût et la nature sur mesure du système, « Printer.HM » offre une bonne capacité d'impression avec une grande variété de matériaux souples, des hydrogels aux élastomères de silicone sur une large gamme de viscosité (20 mPa·s–1,5 kPa·s). De plus, le système est capable d'effectuer une gamme de tâches non conventionnelles, telles que l'impression à vitesse variable et l'impression non plane.

Néanmoins, plusieurs limitations sont notées dans 'Printer.HM'. Premièrement, la conception d'un système d'étage mobile utilisé dans « Printer.HM » pourrait potentiellement compromettre la fidélité des objets à faible viscosité qui sont imprimés dans l'air. Pour réduire l'impact potentiel, une vitesse très lente de la platine peut être utilisée lors de l'impression de structures délicates de matériaux à faible viscosité. Deuxièmement, « Printer.HM » n'englobe pas les systèmes de refroidissement qui facilitent l'impression d'encres à base de protéines et un mécanisme de rétraction de l'encre qui empêche les encres de suinter involontairement. Un mécanisme de rétraction sera intéressant dans les travaux futurs, qui peut être réalisé en définissant une rotation inverse du moteur de la tête d'impression à entraînement mécanique, pour améliorer encore la fidélité d'impression. Il convient également de mentionner que l'impression de matériaux souples, tels que les hydrogels, ne nécessite généralement pas une température de chauffage élevée (c'est-à-dire > 60 °C) et que la résolution caractéristique de l'impression par extrusion est généralement > 100 μm7. Par conséquent, bien que Printer.HM ait une résolution mécanique inférieure et une plage de chauffage plus étroite que les systèmes commerciaux (voir le tableau supplémentaire 2), une performance d'impression satisfaisante est obtenue. De plus, la conception modulaire du système permet une reconfiguration facile et l'extensibilité du système. Les utilisateurs peuvent intégrer de nouvelles fonctionnalités, telles que des têtes d'impression microfluidiques, des refroidisseurs, etc., à « Printer.HM » dans le cadre de développements futurs. En résumé, notre travail a établi une imprimante d'extrusion 3D abordable avec une personnalisation améliorée et des fonctionnalités tout-en-un, bénéficiant à la communauté de recherche du bricolage et facilitant potentiellement le développement de stratégies de fabrication ouvertes et innovantes dans divers domaines, tels que l'ingénierie tissulaire, la robotique douce, l'alimentation et le traitement des matériaux respectueux de l'environnement.

« Printer.HM » est une imprimante 3D à extrusion open source qui se compose d'un bras robotique open source disponible dans le commerce (uArm Swift Pro Desktop Robotic Arm) et d'un module de distribution comme partie centrale, et de systèmes de chauffage, d'un module UV et d'une caméra d'inspection comme utilitaires optionnels. Le bras robotique contrôlait le mouvement des axes x, y et z de la platine imprimée en 3D. Diverses étapes ont été conçues sur mesure pour s'adapter à différentes tailles de substrats ou de réservoirs récepteurs, y compris des lames de verre standard, des boîtes de Pétri (90, 55 et 35 mm) et des récipients rectangulaires (40 et 30 mm) (Fig. 2b supplémentaire). Le module de distribution est composé de têtes d'impression à piston à faire soi-même (bricolage) qui ont été construites à partir de composants mécaniques simples (c'est-à-dire moteur pas à pas, rail linéaire et roulement à billes) et de pièces imprimées en 3D conçues sur mesure. Tous les fichiers CAO des pièces imprimées en 3D de 'Printer.HM' sont accessibles et disponibles sur notre référentiel Github, ainsi les utilisateurs peuvent librement modifier les pièces pour mieux les adapter à leurs applications si nécessaire. Les pièces imprimées en 3D ont été imprimées avec de l'acide polylactique (PLA) ou de l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) à l'aide d'une imprimante 3D Ultimaker S3. Comme preuve de concept, quatre têtes d'impression ont été construites ici et elles ont été conçues pour accueillir des seringues de 1 ml ou 3 ml, mais les utilisateurs peuvent ajuster le nombre de têtes d'impression ou modifier la conception du porte-seringue pour s'adapter à d'autres tailles d'outils de distribution en fonction de leurs besoins expérimentaux.

Les systèmes de chauffage de la platine et de la seringue de « Printer.HM » sont composés d'un support en aluminium sur mesure qui a été enveloppé de fils de nichrome (UMNICWIRE2, Ultimachine) comme élément chauffant et d'un thermocouple de type K (Z2-K-1M, Labfacility) comme capteur de température. Une source de lumière LED UV (5 W, 365 nm, NSUV365, Nightsearcher) a été utilisée ici et a été montée sur la planche à pain en aluminium de 'Printer.HM'. Pendant ce temps, les utilisateurs peuvent sélectionner différentes sources lumineuses en fonction du choix des photo-initiateurs. Une caméra d'inspection a été montée sur la planche à pain en aluminium pour surveiller et enregistrer in situ le processus d'impression. Le module de distribution et les systèmes de chauffage ont été connectés à des cartes Arduino, tandis que le bras robotique a un Arduino intégré pour le contrôle. Les instructions de montage de l'imprimante et du circuit électrique de « Printer.HM » sont décrites dans la note complémentaire III.

L'opération d'impression a été mise en œuvre par un programme Python écrit sur mesure qui communique de manière synchrone avec les cartes Arduino du bras robotique et du module de distribution, tandis que les modules de chauffage étaient contrôlés indépendamment par des interfaces utilisateur graphiques (GUI) qui communiquent avec les cartes Arduino des appareils de chauffage dont les utilisateurs peuvent librement personnaliser le programme en fonction de leurs besoins. Tous les programmes d'exploitation utilisés dans cette étude sont disponibles sur Github.

Avant l'impression, l'encre a été centrifugée à 1000 g pendant 3 min pour éliminer les bulles. L'encre a été aspirée dans une seringue de 1 ml ou 3 ml, et la seringue a été chargée dans le porte-seringue de la configuration. Un réservoir de collecte, tel qu'une boîte de Pétri ou des lames de verre, a été chargé sur la scène sur mesure imprimée en 3D. Quatre programmes de contrôle Python ont été écrits pour importer différents types d'entrées de géométrie : coordonnées, équation, modèle CAO et entrées d'image. Les paramètres d'impression, tels que la vitesse d'impression, la position de décalage, le débit d'extrusion et la position z initiale, sont réglables par l'utilisateur et peuvent être définis dans le programme de contrôle. Par défaut, les constructions étaient imprimées au centre du réservoir collecteur, sauf si une position de décalage était définie.

Une liste de coordonnées (x = [x1, x2, …, xn], y = [y1, y2, …, yn]) a été directement chargée dans le programme, où xn et yn désignent les coordonnées x et y du nième point (voir Fig. 10 supplémentaire).

Un ensemble d'équations cartésiennes ou paramétriques ainsi que la plage définie de la variable indépendante ont été entrés dans le programme de contrôle (voir Fig. 11 supplémentaire). La courbe a été discrétisée par au moins 100 points régulièrement espacés, en fonction de la longueur de la courbe. Les constructions illustrées à la figure 3b ont été fabriquées à l'aide d'équations d'onde sinusoïdale, de courbe papillon et de cercle. Les caractéristiques 3D ont été produites en imprimant des couches empilées de la courbe 2D en fonction des hauteurs d'objet et de couche définies.

Les modèles CAO 3D ont été soit conçus à l'aide d'Autodesk Inventor, soit téléchargés depuis GradCAD (https://grabcad.com/library/software/stl) ou Thingiverse (www.thingiverse.com). Avant le processus d'impression, le modèle CAO a été converti en un fichier de code G à l'aide de Slic3r (https://slic3r.org/) avec les paramètres de découpage définis par l'utilisateur (c'est-à-dire le motif de remplissage, la densité de remplissage, la largeur d'extrusion et la hauteur de couche). Le fichier de code G a ensuite été importé dans le programme de contrôle Python (voir Fig. 12 supplémentaire).

Des images de la conception d'impression ou des photos des croquis dessinés à la main ont été importées dans Inkscape. Ils ont été convertis en G-code à l'aide de l'extension 'Gcodetools' sur Inkscape (https://inkscape.org/), qui était une extension conçue pour les machines CNC. La procédure étape par étape de la conversion peut être trouvée dans la note complémentaire IX. Le code G généré a ensuite été importé dans le programme de contrôle pour l'entrée d'image, qui a été écrit pour accepter le code G généré par cette extension (voir Fig. 13 supplémentaire).

Le chauffage de la seringue et le chauffage de la scène ont été appliqués si nécessaire. Ils étaient contrôlés par une interface utilisateur graphique personnalisée (GUI), où les utilisateurs peuvent directement spécifier la température de consigne souhaitée. L'écart acceptable par rapport à la température de consigne souhaitée a été défini par défaut sur ± 0,5 °C ici. Le programme de contrôle de l'opération de chauffage est disponible sur Github.

Un motif de ligne 2D pour l'impression a été conçu sur Inkscape et a été converti en un fichier G-code. La forme 3D de l'objet cible (un modèle de nez en Ecoflex, Fig. 8 supplémentaire) a été capturée à l'aide d'un scanner 3D (EinScan H, SHINING 3D®) et enregistrée sous forme de fichier STL. Pour analyser la surface de l'objet cible, le fichier STL du modèle de nez a été converti en fichier G-code à l'aide de Slic3R avec les paramètres de découpage suivants (motif de remplissage = 'courbe de Hilbert', largeur d'extrusion = 0,2 mm, densité de remplissage = 100% et hauteur de couche = 0,2 mm). Un paramètre de remplissage dense et un motif de remplissage de courbe de Hilbert ont été utilisés ici pour décrire précisément l'objet cible. Les codes G de l'objet cible (le modèle de nez) et le motif d'impression (un motif de ligne) ont ensuite été importés dans un programme Python de planification de trajectoire écrit sur mesure. Dans le programme, la position z du motif d'impression a été projetée conformément à la position z de l'objet cible aux positions x, y similaires. Par défaut, le programme suppose que le motif est imprimé autour du centre de l'objet cible, mais une position de décalage peut être utilisée si nécessaire. Le programme génère un fichier texte du tableau de coordonnées projetées, qui a ensuite été importé dans le programme de contrôle utilisé pour l'entrée d'image pour mettre en œuvre l'impression.

La lignée cellulaire de fibroblastes d'embryon de souris 3T3 a été cultivée dans un flacon de 25 cm2 et a été soumise à des passages en utilisant un protocole standard. Les milieux de culture cellulaire utilisés ici étaient 10 % v/v de sérum bovin fœtal (F0804, Sigma) et 1 % v/v de pénicilline-streptomycine (P43333, Sigma) dans du DMEM (31885023, Life technologies). Une suspension cellulaire avec 2 × 106 cellules / ml a été utilisée dans les expériences de distribution, les cellules étant colorées avec de la calcéine AM (C3099, Fisher Scientific) à une concentration de travail de 2 μM pour la coloration des cellules vivantes. Pour empêcher la sédimentation cellulaire, immédiatement après la remise en suspension, l'encre cellulaire a été aspirée dans une seringue luer-lok de 1 ml et a été chargée dans le porte-seringue de l'imprimante pour l'opération de distribution. Le programme de contrôle des opérations de distribution est disponible sur Github.

Le tableau supplémentaire 6 résume les encres et les bains de support utilisés pour fabriquer les constructions démontrées dans ce travail. Les encres utilisées ici étaient SE1700 (Dow), 30 % p/v et 40 % p/v Pluronic F127 (P2443, Sigma), une encre d'alginate pré-réticulée, une encre hydroxyapatite-alginate pré-réticulée, 10 % p/v de sel de sodium de carboxyméthylcellulose (21902, Sigma), 10 % de gélatine (G1890, Sigma), 25 % de polyac acide rylique (450 kDa, 181285, Merck Life), collagène (50201, Ibidi), une solution de PEGDA, 68 % en poids de méthacrylate d'hydroxypropylcellulose et 3 % en poids/volume d'hyaluronate de sodium (251770250, Fisher Scientific). Certaines des encres ont été colorées avec de la fluorescéine de sodium (46960, Sigma) ou de la rhodamine B (A13572.18, Alfa Aesar). Sauf indication contraire, les encres ont été préparées en dissolvant la concentration souhaitée de la poudre chimique dans de l'eau déminéralisée. L'encre méthacrylate hydroxypropyl cellulose a été préparée selon la méthode décrite dans notre précédente étude29. L'encre SE1700 a été produite en mélangeant le précurseur de base et le catalyseur à un rapport pondéral de 10:1. L'encre d'alginate a été préparée par pré-réticulation d'une solution d'alginate à 10 % p/v (W201502, Sigma) avec une solution de CaCl2 200 mM (C5670, Sigma) à un rapport volumétrique de 10:3. L'encre hydroxyapatite-alginate était composée de 15 % p/v d'hydroxyapatite (21223, Sigma) dispersée dans une solution d'alginate à 5 % p/v, qui a ensuite été pré-réticulée avec une solution de CaCl2 200 mM à un rapport volumétrique de 10:1. L'encre PEGDA a été préparée en mélangeant du PEGDA (Mn 700, 455008, Merck Life), de l'eau désionisée et un Irgacure 2959 à 10 % p/v (g/100 ml d'éthanol, 410869, Sigma) à un rapport volumétrique de 2:8:1. L'encre Ecoflex (Smooth-On Inc.) a été préparée selon une formulation similaire rapportée dans la littérature34, où la partie A Ecoflex 00-30 a été mélangée avec la partie B Ecoflex 00-30 (avec 1,2 % poids/volume de Slo-jo et 1,2 % poids/volume de Thivex) avec l'ajout d'une goutte d'encre acrylique de couleur orange clair pour la visualisation. Les bains de soutien utilisés ici étaient de 1,3 % de gomme de xanthane (G1253, Sigma), 1 % p/v de Carbopol ETD 2020 (Lubrizol), 4,5 % p/v de suspension de gélatine et 6 % p/v de silice fumée (S5130, Merck Life) dans de l'huile minérale (330760, Merck Life). Les bains de soutien au Carbopol, à la bouillie de gélatine et à la silice fumée-huile minérale ont été préparés selon les protocoles décrits dans les études précédentes35,36,37.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations supplémentaires. Le code et les conceptions CAO des pièces imprimées en 3D sont disponibles sur Github (https://github.com/iekmanlei/Printer.HM) et via Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.5353394).

Capel, AJ, Rimington, RP, Lewis, MP & Christie, SDR Impression 3D pour des applications chimiques, pharmaceutiques et biologiques. Nat. Rév. Chem. 2, 422–436 (2018).

Article Google Scholar

Truby, RL & Lewis, JA Impression de matières molles en trois dimensions. Nature https://doi.org/10.1038/nature21003 (2016).

Article PubMed Google Scholar

Zhang, YS et al. Bio-impression 3D par extrusion. Nat. Rev. Methods Primers 1, 1–20 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Lei, IM et al. Les cochlées biomimétiques imprimées en 3D et la co-modélisation de l'apprentissage automatique fournissent une informatique clinique aux patients porteurs d'implants cochléaires. Nat. Commun. 12, 1–12 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Kang, DH et al. Tissu ressemblant à de la viande coupé entier conçu par l'assemblage de fibres cellulaires à l'aide de la bio-impression intégrée tendon-gel. Nat. Commun. 12, 1–12 (2021).

Article Google Scholar

Mantihal, S., Kobun, R. & Lee, BB Impression alimentaire 3D comme nouvelle façon de préparer les aliments : un examen. Int. J.Gastron. Sci alimentaire. 22, 100260 (2020).

Article Google Scholar

Daly, AC, Prendergast, ME, Hughes, AJ & Burdick, JA Bioprinting pour le biologiste. Cellule 184, 18–32 (2021).

Article CAS Google Scholar

Ravanbakhsh, H. et al. Technologies émergentes en bio-impression multi-matériaux. Adv. Mater. https://doi.org/10.1002/adma.202104730 (2021).

Article PubMed Google Scholar

Sun, W. et al. La feuille de route de la bio-impression. Biofabrication https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab5158 (2020).

Article PubMed Google Scholar

Skylar-Scott, MA, Mueller, J., Visser, CW & Lewis, JA Matière molle voxélisée via l'impression 3D multimatériaux multibuses. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-019-1736-8 (2019).

Article PubMed Google Scholar

Patel, BB et al. Couleur structurelle accordable des copolymères blocs de brosse à bouteille grâce à l'impression 3D à écriture directe à partir d'une solution. Sci. Adv. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz7202 (2020).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Sydney Gladman, A., Matsumoto, EA, Nuzzo, RG, Mahadevan, L. & Lewis, JA Impression 4D biomimétique. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/nmat4544 (2016).

Article PubMed Google Scholar

Raney, JR et al. Impression 3D rotationnelle de composites tolérants aux dommages avec mécanique programmable. Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis https://doi.org/10.1073/pnas.1715157115 (2018).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Kim, Y., Yuk, H., Zhao, R., Chester, SA et Zhao, X. Impression de domaines ferromagnétiques pour des matériaux souples à transformation rapide non attachés. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-018-0185-0 (2018).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Pusch, K., Hinton, TJ & Feinberg, AW Extrudeuse à pompe à seringue à grand volume pour imprimantes 3D de bureau. MatérielX https://doi.org/10.1016/j.ohx.2018.02.001 (2018).

Article PubMed Google Scholar

Mirdamadi, E., Tashman, JW, Shiwarski, DJ, Palchesko, RN & Feinberg, AW FRESH bio-impression 3D d'un modèle grandeur nature du cœur humain. ACS Biomater. Sci. Ing. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.0c01133 (2020).

Article PubMed Google Scholar

Bessler, N. et al. Extrudeuse à une seringue Nydus (NOSE) : une conversion d'imprimante 3D Prusa i3 pour les applications de bio-impression utilisant la méthode FRESH. MatérielX https://doi.org/10.1016/j.ohx.2019.e00069 (2019).

Article Google Scholar

Engberg, A., Stelzl, C., Eriksson, O., O'Callaghan, P. & Kreuger, J. Une bio-imprimante à extrusion open source basée sur le système de mouvement E3D et le changeur d'outils pour permettre la bio-impression FRESH et multimatériaux. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-021-00931-1 (2021).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Garciamendez-Mijares, CE, Agrawal, P., Martínez, GG, Juarez, EC & Zhang, YS Bio-imprimantes abordables de pointe : un guide pour la communauté DiY. Appl. Phys. Rév. 8, 031312 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Shen, EM & McCloskey, KE Bio-impression abordable à haute résolution avec gradients de concentration intégrés. Bioimpression https://doi.org/10.1016/j.bprint.2020.e00113 (2021).

Article Google Scholar

Lin, S., Liu, J., Liu, X. & Zhao, X. Hydrogels résistants à la fatigue de type musculaire par entraînement mécanique. Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis https://doi.org/10.1073/pnas.1903019116 (2019).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Roh, S. et al. Architectures souples en silicone imprimées en 3D avec reconfiguration magnéto-capillaire programmée. Adv. Mater. Technol. https://doi.org/10.1002/admt.201800528 (2019).

Article Google Scholar

Kim, JH et al. Constructions musculaires squelettiques humaines bio-imprimées en 3D pour la restauration de la fonction musculaire. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-018-29968-5 (2018).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Ravi, P., Shiakolas, PS, Oberg, JC, Faizee, S. & Batra, AK Sur le développement d'une bio-imprimante 3D modulaire pour la recherche dans la fabrication de dispositifs biomédicaux. dans ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Actes (IMECE) (2015). https://doi.org/10.1115/IMECE2015-51555

Athira, A. & Jiya, J. Hydrogels auto-assemblés : un aperçu (Springer, 2021). https://doi.org/10.1007/978-981-15-7138-1_14.

Réserver Google Scholar

Zhang, YS & Khademhosseini, A. Progrès dans l'ingénierie des hydrogels. Science (1979) 356, eaf3627 (2017).

Google Scholar

Taylor, MJ, Tomlins, P. & Sahota, TS Gels thermosensibles. Gels 3, 4 (2017).

Article Google Scholar

Klouda, L. & Mikos, AG Hydrogels thermosensibles dans les applications biomédicales. EUR. J.Pharm. Biopharma. 68, 34–45 (2008).

Article CAS Google Scholar

Lam, C. et al. Impression 3D d'hydroxypropylcellulose cristalline liquide vers des structures photoniques volumétriques accordables et durables. Adv. Fonct. Mater. https://doi.org/10.1002/adfm.202108566 (2022).

Article Google Scholar

Vuksanović, JM, Kijevčanin, ML & Radović, IR Diacrylate de poly(éthylène glycol) en tant que nouveau composé chaotropique pour la conception de systèmes biphasiques aqueux. J. Mol. Liquide. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.04.023 (2018).

Article Google Scholar

Reid, JA et al. Bio-impression accessible : adaptation d'une imprimante 3D à faible coût pour un placement précis des cellules et la différenciation des cellules souches. Biofabrication https://doi.org/10.1088/1758-5090/8/2/025017 (2016).

Article PubMed Google Scholar

Zhu, Z. et al. Matériaux fonctionnels et biologiques imprimés en 3D sur des surfaces mobiles de forme libre. Adv. Mater. https://doi.org/10.1002/adma.201707495 (2018).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Askari, M. et al. Progrès récents dans la bio-impression 3D par extrusion de biomatériaux hydrogel pour la régénération tissulaire : une revue complète axée sur les techniques de fabrication avancées. Biomatière. Sci. https://doi.org/10.1039/d0bm00973c (2021).

Article PubMed Google Scholar

Wehner, M. et al. Une stratégie de conception et de fabrication intégrée pour des robots entièrement mous et autonomes. Nature https://doi.org/10.1038/nature19100 (2016).

Article PubMed Google Scholar

Hinton, TJ et al. Impression tridimensionnelle de structures biologiques complexes par enrobage réversible de forme libre d'hydrogels en suspension. Sci. Adv. 1, e1500758–e1500758 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Bhattacharjee, T. et al. Ecriture dans le milieu gel granulaire. Sci. Adv. https://doi.org/10.1126/sciadv.1500655 (2015).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Jin, Y., Song, K., Gellermann, N. & Huang, Y. Impression de matériaux hydrophobes dans une suspension de nanoparticules de silice fumée. ACS Appl. Mater. Interfaces https://doi.org/10.1021/acsami.9b07433 (2019).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Télécharger les références

Ce travail a été soutenu par le Conseil européen de la recherche (ERC-StG, 758865) et UKRI - EPSRC (EP/S009000/1). IML reconnaît le soutien financier du WD Armstrong Trust et du Macao Postgraduate Scholarship Fund. Le CLL reconnaît le soutien de l'Université de Macao via une bourse UM Macao et le Clarendon Scholarship Fund. YS reconnaît le soutien financier du Chinese Scholarship Council. Les auteurs remercient le Dr Yang Cao pour son aide à l'expérience de distribution de cellules, Abby Thompson pour son aide avec le scanner 3D, Ian Ganney pour son aide dans le travail d'usinage, et le Dr Clement Chun Lam Chan et le professeur Silvia Vignolini (Département de chimie, Université de Cambridge) pour avoir fourni la solution de méthacrylate d'hydroxypropylcellulose.

Département d'ingénierie, Université de Cambridge, Cambridge, Royaume-Uni

Iek Man Lei, Yaqi Sheng, Cillian Leow et Yan Yan Shery Huang

Le Nanoscience Centre, Université de Cambridge, Cambridge, Royaume-Uni

Iek Man Lei, Yaqi Sheng et Yan Yan Shery Huang

Institut de médecine translationnelle, Faculté des sciences de la santé, Université de Macao, Macao, Chine

Chon Lok Lei

Département d'informatique, Université d'Oxford, Oxford, Royaume-Uni

Chon Lok Lei

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Tous les auteurs ont conçu les expériences et revu le manuscrit.

Correspondance à Yan Yan Shery Huang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Vidéo supplémentaire 1.

Vidéo supplémentaire 2.

Vidéo supplémentaire 3.

Vidéo supplémentaire 4.

Vidéo supplémentaire 5.

Vidéo supplémentaire 6.

Vidéo supplémentaire 7.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui autorise l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Lei, IM, Sheng, Y., Lei, CL et al. Une imprimante 3D d'extrusion piratable, multifonctionnelle et modulaire pour les matériaux souples. Sci Rep 12, 12294 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16008-6

Télécharger la citation

Reçu : 15 mars 2022

Accepté : 04 juillet 2022

Publié: 19 juillet 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-16008-6

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

Rapports scientifiques (2022)

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.

Nouvelles