生物工程師建立的 OpenSLS 系統,讓 3D 列印技術運用在生醫研究

作者 | 發布日期 2016 年 03 月 27 日 0:02 | 分類 3D列印 , 生物科技 , 科技教育 follow us in feedly

美國萊斯大學大學生物工程研究者們修改了一台商用等級的二氧化碳雷射切割機,以此製作了一台可利用塑膠粉末和生物材料列印出複雜的 3D 物件的開源選擇性雷射燒結(SLS 為 selective laser sintering,OpenSLS)平台。此系統可以讓研究人員能夠利用符合自己需求的特殊材料,而且建構系統所耗費的資金非常低,不到 1 萬美元,比業界一般所耗費的資金(40 萬至 100 萬美元)低了至少 40 倍。而這項設備的設計以及運作表現論文公開發公布於 PLOS ONE。




SLS 技術其實早已存在 20 多年,是 3D 列印技術的一種,能夠製作含有分叉或懸吊突出結構的物件。此項研究的共同作者,專長為將 3D 列印技術運用於組織工程以及再生醫學的萊斯大學生物工程助理教授 Jordan Miller 表示:「SLS 技術可以完美的創造我們工作所需要的複雜形狀,譬如血管網路、肝臟或其他器官。」

傳統的 3D 列印是由針孔噴擠出融化的塑膠描繪出 2D 的平面圖形之後再一層一層疊成 3D 構造。而 OpenSLS 系統和傳統的 3D 列印的不同在於,SLS 雷射直接打在壓平坦的塑膠粉末基上,在雷射焦點上的粉末加熱之後融化燒結形成固體黏著在一起。利用這樣的方式,改變雷射的位置,就能製造出單層的固體結構。

Miller 形容這樣的過程有點像在做法式烤布蕾,廚師會撒一層糖粉,然後用火把加熱使它們黏合在一起形成硬的一層外皮;而在 SLS 的情況下,糖粉換成粉狀的生物材料,熱源換成了雷射光線。

當製作完成一層的構造之後,再放上一層新的材料粉末,同樣以雷射的方式處理,重複幾次便能製造出完整的結構。因為 SLS 在製作的過程中,半成品一直包覆在材料粉末之中被支撐著,因此能夠做出其他 3D 列印無法做到的一些特別複雜的結構。

一般來說,業界所使用的 SLS 機器並不會讓使用者運用自己的材料來製造物件,這使得再生醫學及組織工程相關的研究者備感限制,因為他們的研究特別需要運用自己所需的特殊材料方能進行。但現在建立了這套 OpenSLS 系統,情況將會大大不同。本研究共同作者 Ian Kinstlinger 是 Miller 的研究團隊中的畢業生,他曾經改良許多 OpenSLS 在硬體及軟體上的設計,他表示,當研究者們能夠使用自行設計的 SLS 設備,就代表他們投入再生醫學相關研究的生物材料種類,不會再受到企業的限制。研究團隊已經證明他們所改良的系統運用材料的多樣性,可以使用的材料包含在高解析 3D 列印十分常見的尼龍粉末,以及在研究組織工程骨製造模板常用的聚己內酯(polycaprolactone,PCL)。

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▲ 左為 Ian Kinstlinger,右為 Jordan Miller。 (Source:m.phys.org

Kinstlinger 表示:「我們所改良的這套系統價格低,是大多數的實驗室都能夠負擔的價格,我們的初衷是讓其他人也能夠以很簡單的方式重複我們的工作,所以我們所做的硬體設計及軟體改良都透過 Github 公開分享,所以其他人都能以低價格自行改良 OpenSLS 系統,並且標準化設備和效能。」

Miller 和研究團隊起初在 2013 年時,認為業界所使用的二氧化碳雷射切割機是最適合用於改造成低價通用的選擇性燒結機的選擇。這樣的雷射切割機原先通常被用於製作珠寶、玩具、丙烯酸樹脂塑像等商品,研究團隊卻因為它的雷射光波長正好就在 10 微米左右,而且有適合的硬體搭配可以精準的控制雷射強度及平面位置而看中了它,選擇以這種雷射切割機進行改造。

在 2013 年夏天,Miller 主持了一場 4 周的速成班(Advanced Manufacturing Research Institute,AMRI),為了讓其他人也能了解他們的硬體原型。這項活動的參與者 Andreas Bastian 是一位藝術家兼工程師,他又更進一步設計出完整的包含第 3 個方位 Z 軸,而且能夠控制操作粉末的系統。Miller 和 Bastian 利用了原先雷射切割機的功能,為這個能夠操作粉末的系統製作了一些部分零件,將這項設計加入系統內讓功能更加完善。

Miller 表示,他們在升級系統的過程中所需要的大多數丙烯酸零件,都是利用同一台雷射切割機所製作,建立 OpenSLS 系統時的花費大約為 2,000 美元,在原先已經有的雷射切割機上加上其他元件並校正,也只需要幾天時間就能完成。

在 2013 年 Bastian 離開萊斯大學時,研究團隊已經有了完整的概念,但是要距離 OpenSLS 系統能夠真正順利運用在生物工程之上,他們還有許多工作尚未完成,而這些工作最後是由 Ian 以及團隊中其他人完成的。

Miller 表示,Kinstlinger 利用可以運用在人類醫學移植的生物相容塑膠(PCL)所做的測試,對於整個計畫來說非常重要。生物體內的系統在 3D 結構上是非常複雜的,而且在不同的需求情況下,會有不同的形狀及外觀,譬如在許多部位需要有大面積的表面來構成,就會以粗糙的表面來達成這樣的需求,但在其他地方只需要平滑表面就可以了。也就是說,研究團隊所製作的物件表面必須要符合當下的需求,所以除了形狀的差異之外,還必須控制表面的型態。

為了使得列印機所製造 PCL 成品的粗糙表面也能夠變得平滑,Kinstlinger 試驗了各種方法,最後終於發現將粗糙的部分以蒸汽溶液處理 5 分鐘左右,粗糙的表面就會因為表面張力的緣故而變得平滑。Kinstlinger 接著測試了一種可以分化成各種不同細胞的幹細胞——人類骨髓間質細胞,發現被蒸氣變得平滑的 PCL 結構和天然的骨頭構造有著同樣的特性,能夠做為組織工程的模板。

實驗結果發現幹細胞的確能夠黏附在 PCL 模板表面並活下來,分化出骨質譜系的其他細胞,並且在整個支架上累積鈣質。這樣的結果顯示了 OpenSLS 系統對於未來研究能夠有所運用。Miller 表示:「我們的成果體現了 OpenSLS 能夠為提供科學界一個平台,幫助利用各種塑膠、生物材料合成物件或進行雷射燒結相關的研究。」

(首圖來源:m.phys.org) 

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