Un hackable, multi

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12294 (2022) Citar este artículo

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La impresión tridimensional (3D) se ha convertido en una poderosa herramienta para la investigación y el desarrollo de materiales, alimentos y ciencias de la vida, donde la democratización de la tecnología requiere el avance de las plataformas de código abierto. Aquí, desarrollamos una impresora 3D de extrusión modular, multifuncional y pirateable para materiales blandos, apodada Printer.HM. Los módulos de múltiples cabezales de impresión se establecen en base a un brazo robótico para la creación de construcciones heterogéneas, donde la capacidad de impresión de la tinta se puede ajustar mediante accesorios como módulos de calefacción y UV. El software asociado con Printer.HM se diseñó para aceptar entradas de geometría, incluidos modelos de diseño asistido por computadora, coordenadas, ecuaciones e imágenes, para crear impresiones de distintas características. Printer.HM podría realizar además operaciones versátiles, como dispensación de líquidos, impresión no plana y selección y colocación de mesoobjetos. Printer.HM demostró la impresión de actuadores blandos sensibles al pH, hidrogeles funcionales basados en plantas y modelos macroanatómicos de órganos mediante la configuración de software y hardware "mix-and-match". Al integrar la asequibilidad y el diseño abierto, se prevé que Printer.HM democratice la impresión 3D para arquitecturas de materiales blandos, biológicos y sostenibles.

La llegada de la impresión 3D ofrece libertades potenciales para crear rápidamente materia diseñada arbitrariamente a partir de una amplia variedad y combinación de materiales blandos y funcionales, revolucionando diversos campos de investigación, desde alimentos hasta ingeniería de tejidos, electrónica blanda y robótica1,2,3,4,5 ,6. Entre las diferentes modalidades de impresión 3D para materiales blandos, la impresión basada en extrusión es posiblemente la modalidad más utilizada debido a su amplia compatibilidad con materiales, bajo uso de materiales, pocos desechos y su capacidad para controlar espacialmente las propiedades de la construcción2,3,7,8,9 , como la composición10, las propiedades fotónicas11, la orientación de las fibras encapsuladas12,13 y las propiedades ferromagnéticas14. Sin embargo, las innovaciones en curso en la impresión 3D por extrusión deben superar la barrera del costo y la adaptabilidad limitada asociada a los sistemas comerciales existentes. Aunque se han informado varias impresoras 3D de extrusión de código abierto hechas a medida15,16,17,18,19, los materiales y las arquitecturas imprimibles estaban restringidos por un conjunto incompleto de herramientas auxiliares y opciones de ruta de impresión (como se resume en la Tabla complementaria I y Figura complementaria 1). Para democratizar la impresión por extrusión multifuncional, informamos sobre el desarrollo de una impresora 3D basada en extrusión con varios cabezales de impresión y altamente personalizable para materiales blandos. Denominamos a la impresora 'Printer.HM' en este documento, donde HM significa pirateable y multifuncional. Printer.HM puede aceptar fácilmente diferentes entradas de geometría, como coordenadas, ecuaciones e imágenes, además de la entrada de código G de diseño asistido por computadora (CAD) convencional. Los costos totales de establecer una versión de Printer.HM oscilan entre £ 900 y £ 1900 (tomando entre 2 y 4 h de tiempo de instalación, excluyendo el tiempo de impresión de las partes), según la cantidad de servicios públicos equipados. Printer.HM ofrece una excelente compatibilidad de impresión con una amplia variedad de materiales líquidos y blandos (desde mPa·s hasta kPa·s); y se pueden realizar innumerables operaciones, incluida la dispensación de líquidos, la impresión de múltiples materiales, la impresión con velocidad variable, la impresión no plana y la aplicación de recogida y colocación. En virtud del diseño modular de 'Printer.HM' y el uso de un brazo robótico como control de movimiento, los usuarios pueden ensamblar y reconfigurar fácilmente la configuración y expandir sus funcionalidades, según las necesidades experimentales individuales. En general, prevemos que la naturaleza pirateable, ampliable y asequible de Printer.HM puede promover la adaptabilidad generalizada de la tecnología de impresión 3D por extrusión, facilitando las innovaciones abiertas en las comunidades de investigación que utilizan materiales blandos, biológicos y sostenibles.

La Figura 1 destaca las características clave de 'Printer.HM', una impresora 3D basada en extrusión como una alternativa asequible y pirateable a las bioimpresoras comerciales (consulte la Tabla complementaria 2 para ver una comparación de sus especificaciones). El sistema se basa en un brazo robótico pirateable (consulte la Fig. 2 complementaria para ver una configuración de la vida real), que no depende de la reutilización de una impresora de modelado por deposición fundida existente, ya que su firmware patentado aún puede limitar su personalización y la cantidad de utilidades. (por ejemplo, cabezales de impresión y módulo UV) que se pueden instalar en el sistema18,20. Alojada en una carcasa y construida sobre una placa de prueba de aluminio para facilitar la reconfiguración de diferentes módulos, la parte central de la impresora consta de módulos de dosificación (es decir, cuatro cabezales de impresión impulsados por pistones hechos a la medida); y un escenario, cuyo control de movimiento lo proporciona el brazo robótico. El uso de una placa de construcción móvil que está controlada por un brazo robótico aquí, en lugar de un conjunto de etapas lineales de pórtico de 3 ejes, ofrece ventajas de compacidad y facilidad de montaje. El volumen de construcción estimado de Printer.HM es ~ 490 cm3, limitado por la capacidad máxima de carga útil del brazo robótico.

Características de Printer.HM, que consta de herramientas auxiliares múltiples como hardware y entradas de geometría flexibles como software, lo que lleva a múltiples funcionalidades en una sola plataforma.

Dado que la capacidad de impresión de materiales blandos depende de manera crucial de la reología y la reticulación de las tintas3, 'Printer.HM' está equipada con herramientas auxiliares adicionales, que incluyen un calentador de jeringa, un calentador de etapa y un módulo UV para ayudar a la impresión de hidrogeles. (Fig. 2 complementaria). Los calentadores son capaces de controlar las temperaturas de la platina y la jeringa desde temperatura ambiente hasta ~ 60 °C, lo que es suficiente para la mayoría de los tipos de hidrogeles y materiales elastoméricos. Se diseñaron varias etapas a medida para adaptarse a diferentes tamaños de sustratos receptores o depósitos, incluidos portaobjetos de vidrio estándar, placas de Petri (90, 55 y 35 mm) y contenedores rectangulares (40 y 30 mm) (Fig. 2b complementaria). Los cabezales de impresión de 'Printer.HM' se construyeron a partir de componentes mecánicos simples, como tornillos de avance, micromotores paso a paso con una resolución de dosificación de 0,8 µm por paso (consulte la Nota complementaria V) y rieles lineales para una mayor estabilidad y compacidad. Los soportes de jeringas de los cabezales de impresión se imprimieron en 3D, lo que permitió la personalización para adaptarse a diferentes tamaños de utilidades de dosificación específicas para los experimentos de los usuarios. Como prueba de concepto, personalizamos los cabezales de impresión para acomodar jeringas de 3 ml o 1 ml que son compatibles con la mayoría de las aplicaciones de laboratorio.

Es importante poder adaptar libremente la ruta de impresión, ya que controla directamente las propiedades de las construcciones impresas, como sus propiedades mecánicas21, el comportamiento de transformación de respuesta a estímulos12,22 y la orientación celular en las construcciones23. Las impresoras basadas en extrusión hechas a la medida comerciales y existentes generalmente emplean modelos CAD/código G como la única opción para describir los diseños de impresión1,3,7 (Tablas complementarias 1 y 2). La falta de opciones de entrada de geometría que se ofrecen en estos sistemas podría restringir la libertad de diseño y la personalización de la ruta de impresión, especialmente para estructuras de actuadores24. Por lo tanto, printer.HM fue diseñado para aceptar cuatro entradas de geometría diferentes para crear impresiones de distintas características. Son coordenadas, ecuaciones, códigos G e imágenes.

En general, el diseño modular de 'Printer.HM' permite a los usuarios reconfigurar la configuración en función de sus requisitos experimentales y la limitación de recursos, además de alentar a la comunidad investigadora a expandir las funcionalidades del sistema mediante el diseño de nuevos módulos. Como prueba de concepto, aquí se construyeron cuatro cabezales de impresión. El costo total de este sistema de cuatro cabezales de impresión totalmente equipado es de alrededor de £ 1900, mientras que un sistema de un solo cabezal de impresión cuesta ~ £ 900. Esto ofrece un importante ahorro de costes en comparación con las bioimpresoras comerciales3. El tiempo de instalación de 'Printer.HM' es de alrededor de 2 a 4 h, excluyendo el tiempo requerido para la impresión de piezas en 3D. Se proporciona una instrucción paso a paso del ensamblaje de la impresora en la Nota complementaria III, para promover la reproducibilidad del sistema.

En comparación con las impresoras de código abierto existentes, el conjunto más amplio de herramientas auxiliares asociadas con 'Printer.HM' mejora en gran medida su capacidad para construir diferentes combinaciones de materiales y geometría (consulte la Fig. 1 complementaria y la Tabla 1 complementaria). A modo de ejemplo, se usó Printer.HM para realizar la impresión por extrusión de materiales blandos que requieren diferentes mecanismos de gelificación, incluida la gelificación inducida térmicamente y la reticulación fotoinducida, como se muestra en la Fig. 2a. Los hidrogeles sensibles al calor se autoensamblan y experimentan transiciones de fase a sus temperaturas críticas que se definen por la temperatura de solución crítica inferior (LCST) o la temperatura de solución crítica superior (UCST)25,26. Los hidrogeles UCST, incluidas la gelatina y la agarosa, experimentan la formación de gel al enfriarse a una temperatura por debajo de su UCST27,28. Por el contrario, la gelificación de los hidrogeles LCST (p. ej., Pluronic F127) se produce al aumentar la temperatura por encima de su LCST28. Con Printer.HM, el calentador de jeringa ayuda a la impresión de hidrogeles UCST (es decir, gelatina) al calentar las tintas durante la extrusión, mientras que el calentador de etapa ayuda a preservar la forma impresa de los hidrogeles LCST al mejorar su reología a temperatura elevada en la placa construida. El módulo UV permite la reticulación in situ de hidrogeles fotopolimerizables (es decir, metacrilato de hidroxipropilcelulosa29) durante la impresión. Además, como se muestra en la Fig. 2b, la impresora es capaz de imprimir una amplia variedad de biomateriales, desde diacrilato de poli(etilenglicol) (PEGDA, una tinta de baja viscosidad con una viscosidad de 20 mPa s30), colágeno, elastómero de silicona (ver Suplemento Fig. 8) a una solución altamente viscosa de carboxilmetilcelulosa sódica (1500 Pa s).

( a ) Figura que muestra el uso de diferentes herramientas auxiliares para ayudar a la impresión de hidrogeles LCST (por ejemplo, Pluronic F127), hidrogeles UCST (por ejemplo, gelatina) e hidrogeles fotopolimerizables (por ejemplo, metacrilato de hidroxipropilcelulosa). (b) Se puede imprimir una amplia variedad de materiales en un amplio rango de viscosidad utilizando la configuración. (c) Distribución del ancho de línea de los filamentos Pluronic F127 impresos fabricados con una aguja 34G, un flujo de extrusión de 825 μL/h y una velocidad de platina de 5 mm/s. Ancho de línea mediana = ~ 150 μm. (n = 120 mediciones sobre 4 muestras independientes). ( d ) Figura que compara el ancho de línea teórico y el ancho de línea medido (n ≥ 20) obtenido cuando se usaron diferentes parámetros de impresión (es decir, velocidad de etapa, flujo de extrusión y tamaño de aguja). Los experimentos se realizaron con Pluronic F127 en condiciones de sobreextrusión, donde el ancho de línea teórico resultante de la configuración de impresión es mayor que el tamaño de la aguja. La desviación de los puntos de la línea de identidad (y = x, mostrada como línea negra) indica la discrepancia entre los anchos de línea medidos y teóricos. Barras de escala en (a) y (b) = 5 mm. Barra de escala en (c) = 500 μm.

Demostramos aún más la resolución de impresión de 'Printer.HM' imprimiendo un patrón de línea con Pluronic F127. La prueba se realizó con Pluronic F127 como se usa comúnmente en la literatura. Usando una configuración no optimizada de los parámetros de operación, la característica mediana de Pluronic F127 lograda con 'Printer.HM' fue de alrededor de ~ 150 µm (Fig. 2c), que es comparable con la resolución típicamente alcanzada en la bioimpresión basada en extrusión7,31. Sin embargo, cabe señalar que la resolución de las características impresas está determinada predominantemente por las propiedades de la tinta. Para evaluar aún más el rendimiento de Printer.HM, medimos los anchos de línea del filamento resultantes de diferentes configuraciones de caudal de extrusión (\(Q\)) y velocidad de etapa (\(v_{stage}\)), y comparamos la línea medida ancho con el ancho de línea teórico (~ \(\sqrt {\frac{4Q}{{\pi \cdot v_{stage} }}}\), consulte la Nota complementaria VII para obtener más información). Como se muestra en la Fig. 2d, se encuentra un valor de r2 cercano a 1, lo que indica una buena concordancia entre los anchos de línea medidos y teóricos y, por lo tanto, sugiere el rendimiento satisfactorio de Printer.HM.

La Figura 3 ilustra la amplia variedad de construcciones fabricadas con diferentes entradas de geometría, cada una con sus propias fortalezas según los requisitos de la arquitectura. Al ser la forma más ordinaria de las entradas de geometría, las coordenadas son particularmente útiles para crear patrones lineales o regulares simples, como canales unidimensionales (Fig. 3a, Video complementario 1). Mientras tanto, la entrada de ecuaciones permite la creación de patrones sinuosos de un solo trazo, sin embargo, no es adecuado para patrones complejos que no se pueden describir con ecuaciones (Fig. 3b, Video complementario 2). La Figura 3b demuestra que las construcciones tubulares simples se pueden producir fácilmente a través de una ecuación de círculo, sin necesidad de preparar archivos CAD. Por otro lado, los objetos complejos tridimensionales pueden describirse bien mediante modelos CAD 3D, el formato de geometría estándar utilizado en la impresión 3D (Fig. 3c, Video complementario 3). Por último, la entrada de imágenes permite la creación de motivos personalizados a través de fotos de patrones dibujados a mano o imágenes creadas por cualquier software de dibujo. Al aprovechar la opción de entrada de imágenes, se pueden fabricar fácilmente patrones diseñados por el usuario, por ejemplo, patrones similares a circuitos y vasculares (Fig. 3d.i–d.ii).

Las versátiles opciones de entrada de geometría permiten la creación de impresiones con diferentes características, a través de (a) coordenadas, (b) ecuaciones, (c) modelos CAD que luego se tradujeron a código G y (d) geometrías de imágenes. Los materiales utilizados aquí se pueden encontrar en Materiales y métodos y en la Tabla complementaria 6. Barras de escala = 5 mm.

Para ilustrar aún más los beneficios de tener la personalización de la ruta de impresión, en particular para aplicaciones de robótica blanda, demostramos la creación de un sistema de transformación suave hecho de un hidrogel sensible al pH aprovechando una ruta de impresión anisotrópica. Como se muestra en la Fig. 3d.iii y el Video complementario 4, la construcción 2D creada con una ruta de impresión heterogénea exhibió una respuesta de hinchazón anisotrópica y se transformó en una forma de flor. Vale la pena mencionar que la flexibilidad de operación no se limita a las cuatro entradas de geometría provistas aquí. Como el programa de control es completamente pirateable, los usuarios pueden modificar libremente el programa para obtener diseños sin precedentes.

En virtud del programa de control personalizable, las operaciones con 'Printer.HM' son modificables por el usuario y multifuncionales. Demostramos que las operaciones, como la dosificación automática, la impresión con velocidad variable y la impresión no plana, se pueden realizar con 'Printer.HM'. Para ejemplificar, el manejo de líquidos siempre juega un papel indispensable en los experimentos de ciencias de la vida. Así, transformamos 'Printer.HM' en un dispensador modificando el programa de control. La figura 4a y el video complementario 5 muestran que las gotas de suspensión celular se dispensaron automáticamente en una placa de Petri. El volumen dispensado de las gotas es controlable por el caudal de extrusión y la duración de la dispensación. Simplemente configurando diferentes duraciones del tiempo de dispensación, se obtuvieron gotas con varios tamaños. Esta capacidad podría ser útil para automatizar el método de gota colgante para producir esferoides de células y dispensar ingredientes activos dentro de un objeto impreso.

Funcionalidades versátiles de Printer.HM. (a) Dispensación automática de suspensión celular en una placa de Petri a (ai) volúmenes de gotas constantes y (a.ii) volúmenes de gotas variables. La flecha negra en (a.ii) indica la dirección de la ruta de dispensación y las flechas blancas representan la variación controlable del tamaño de las gotas de volumen pequeño a grande. (b) Una curva en espiral hecha de Pluronic F127 impresa con velocidad variable. (c) Impresión no plana de un patrón de línea Pluronic F127 en un modelo de nariz 3D. Barras de escala = 5 mm.

Las características con un ancho de estrechamiento continuo se pueden generar fácilmente con la velocidad variable de la etapa, como se demuestra en la Fig. 4b, que puede ayudar a crear una red vascular jerárquica. Además, demostramos la capacidad de realizar impresiones no planas utilizando la plataforma. A diferencia de las impresoras 3D comerciales convencionales que se basan en el corte plano por plano, la impresión no plana requiere que la tinta se imprima en una superficie de forma libre moviendo la parte de movimiento de la impresora en los 3 ejes al mismo tiempo. La figura 4c y el video complementario 6 muestran que se imprimió un patrón de líneas en un modelo de nariz objetivo en 3D. La superficie 3D del objeto de destino se evaluó mediante un escáner 3D y el patrón de línea se proyectó de acuerdo con la geometría no plana utilizando un código escrito personalizado (descrito con más detalle en Materiales y Métodos). Con la capacidad de depositar tintas directamente sobre superficies de objetos variables, podrían hacerse posibles nuevas aplicaciones de la tecnología de impresión por extrusión 3D, como depositar circuitos de forma libre32 y materiales funcionales. Por último, demostramos la 'selección y colocación' basada en boquillas de mesoobjetos en la Fig. 5a y el Video complementario 7. Tal operación permite aplicaciones para ubicar esferoides celulares entre diferentes entornos.

(a) Operación automática de recogida y colocación, que muestra (i) la recogida, (ii) la transferencia y (iii) la colocación de los objetos impresos en los micropocillos objetivo. Los objetos impresos compuestos por 6% p/v de gelatina y 1% p/v de alginato se tiñeron con fluoresceína sódica y se usó un toque UV para ilustrar los objetos. (b) Impresión en el aire de (i) una tinta Pluronic F127 y (ii) múltiples tintas Pluronic teñidas con diferentes colores. (c) Impresión incrustada de una tinta de hialuronato de sodio en un baño de Carbopol y (ii) tintas múltiples de alginato teñidas con diferentes colores en un baño de goma xantana para formar una estructura pulmonar. Barras de escala = 5 mm.

Los múltiples cabezales de impresión equipados en 'Printer.HM' facilitan la fabricación de construcciones de múltiples materiales. Como demostración, la Fig. 5b.ii muestra una construcción de cuatro capas compuesta por tintas Pluronic F127 coloreadas con diferentes tintes impresas en el aire, y un modelo del sistema respiratorio con pulmones y tráquea hecho de tintas de alginato impresas dentro de un baño de soporte (Fig. 5c.ii–c.iii). Esta capacidad abre un potencial futuro en la generación de anatomía de tejidos sofisticados, que generalmente son de múltiples componentes y espacialmente heterogéneos.

La impresión 3D por extrusión es un enfoque prometedor para fabricar construcciones de tejidos blandos y actuadores blandos biomiméticos3,33. Sin embargo, las impresoras comerciales suelen tener un costo prohibitivo, no permiten una amplia personalización y funcionan a un volumen relativamente alto, lo que podría no ser compatible con muchos materiales biológicos, como los materiales a base de proteínas. Estas limitaciones dificultan en gran medida la innovación continua de la tecnología y su adopción generalizada, particularmente en comunidades con recursos limitados3. Para abordar estas limitaciones, aquí presentamos una impresora 3D de extrusión de código abierto asequible y altamente personalizable, Printer.HM, que está equipada con múltiples cabezales de impresión, calentadores y módulo UV para la impresión de materiales blandos. La impresora se construyó a partir de componentes mecánicos simples y piezas impresas en 3D que se pueden obtener y fabricar fácilmente. Se empleó un brazo robótico como control de movimiento, ya que ofrece las ventajas de compacidad y facilidad de montaje. Printer.HM ofrece asequibilidad (£ 1900 por un sistema de cuatro cabezales de impresión) y compatibilidad con jeringas de menor tamaño que es deseable en aplicaciones biológicas a pequeña escala. Sorprendentemente, las opciones de entrada de geometría no convencionales que se ofrecen en 'Printer.HM' permiten la fabricación de impresiones con un diseño distintivo. Usando la entrada de geometría de imagen, los usuarios sin experiencia en CAD pueden personalizar fácilmente la ruta de impresión, lo que es particularmente beneficioso para controlar los comportamientos de transformación de los hidrogeles que responden a estímulos. A pesar del bajo costo y la naturaleza personalizada del sistema, 'Printer.HM' ofrece una buena capacidad de impresión con una amplia variedad de materiales blandos, desde hidrogeles hasta elastómeros de silicona en un amplio rango de viscosidad (20 mPa s–1,5 kPa s). Además, el sistema es capaz de realizar una variedad de tareas no convencionales, como la impresión con velocidad variable y la impresión no plana.

No obstante, se indican varias limitaciones en 'Printer.HM'. En primer lugar, el diseño de un sistema de platina móvil utilizado en 'Printer.HM' podría comprometer potencialmente la fidelidad de los objetos de baja viscosidad que se imprimen en el aire. Para reducir el impacto potencial, se puede utilizar una velocidad muy baja de la platina al imprimir estructuras delicadas de materiales de baja viscosidad. En segundo lugar, 'Printer.HM' no incluye sistemas de enfriamiento que ayuden a la impresión de tintas a base de proteínas y un mecanismo de retracción de tinta que evita que las tintas se derramen involuntariamente. Un mecanismo de retracción será de interés en el trabajo futuro, que se puede lograr configurando una rotación inversa del motor del cabezal de impresión accionado mecánicamente, para mejorar aún más la fidelidad de la impresión. También vale la pena mencionar que la impresión de materiales blandos, como los hidrogeles, en general no requiere una temperatura de calentamiento alta (es decir, > 60 °C), y la resolución característica de la impresión basada en extrusión es típica > 100 μm7. Por lo tanto, aunque Printer.HM tiene una resolución mecánica más baja y un rango de calentamiento más estrecho que los sistemas comerciales (consulte la Tabla complementaria 2), se logra un rendimiento de impresión satisfactorio. Además, el diseño modular del sistema permite una fácil reconfiguración y la capacidad de expansión del sistema. Los usuarios pueden incorporar nuevas funcionalidades, como cabezales de impresión de microfluidos, enfriadores, etc., a 'Printer.HM' en desarrollos futuros. En resumen, nuestro trabajo estableció una impresora de extrusión 3D asequible con capacidad de personalización mejorada y funcionalidades todo en uno, beneficiando a la comunidad de investigación de bricolaje y facilitando potencialmente el desarrollo de estrategias de fabricación abiertas e innovadoras en diversos campos, como la ingeniería de tejidos. , robótica blanda, alimentos y procesamiento de materiales ecológicos.

'Printer.HM' es una impresora 3D de extrusión de código abierto que consta de un brazo robótico de código abierto disponible en el mercado (brazo robótico de escritorio uArm Swift Pro) y un módulo dispensador como parte central, y sistemas de calefacción, un módulo UV y un cámara de inspección como utilidades opcionales. El brazo robótico controló el movimiento de los ejes x, y y z del escenario impreso en 3D. Se diseñaron varias etapas a medida para adaptarse a diferentes tamaños de sustratos receptores o depósitos, incluidos portaobjetos de vidrio estándar, placas de Petri (90, 55 y 35 mm) y contenedores rectangulares (40 y 30 mm) (Fig. 2b complementaria). El módulo de dosificación se compone de cabezales de impresión accionados por pistón que se construyen a partir de componentes mecánicos simples (es decir, motor paso a paso, riel lineal y rodamiento de bolas) y piezas impresas en 3D diseñadas a medida. Todos los archivos CAD de las partes impresas en 3D de 'Printer.HM' son accesibles y están disponibles en nuestro repositorio de Github, por lo que los usuarios pueden modificar libremente las partes para adaptarlas mejor a sus aplicaciones si es necesario. Las piezas impresas en 3D se imprimieron con ácido poliláctico (PLA) o acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) utilizando una impresora 3D Ultimaker S3. Como prueba de concepto, aquí se construyeron cuatro cabezales de impresión y se diseñaron para acomodar jeringas de 1 ml o 3 ml, pero los usuarios pueden ajustar la cantidad de cabezales de impresión o modificar el diseño del soporte de la jeringa para adaptarse a otros tamaños de herramientas de dosificación en acuerdo con su necesidad experimental.

Los sistemas de calentamiento de la platina y la jeringa en 'Printer.HM' están compuestos por un soporte de aluminio hecho a medida que se envolvió con alambres de nicromo (UMNICWIRE2, Ultimachine) como elemento calefactor y un termopar tipo K (Z2-K-1M, Labfacility ) como sensor de temperatura. Aquí se empleó una fuente de luz LED UV (5 W, 365 nm, NSUV365, Nightsearcher) y se montó en la placa de prueba de aluminio de 'Printer.HM'. Mientras tanto, los usuarios pueden seleccionar diferentes fuentes de luz según la elección de los fotoiniciadores. Se montó una unidad de cámara de inspección en la placa de prueba de aluminio para monitorear y registrar in situ el proceso de impresión. El módulo dispensador y los sistemas de calefacción se conectaron a placas Arduino, mientras que el brazo robótico tiene un Arduino incorporado para su control. Las instrucciones de montaje de la impresora y el circuito eléctrico de 'Printer.HM' se describen en la Nota complementaria III.

La operación de impresión se implementó mediante un programa Python personalizado que se comunica sincrónicamente con las placas Arduino del brazo robótico y el módulo dispensador, mientras que los módulos de calentamiento se controlaron de forma independiente mediante interfaces gráficas de usuario (GUI) que se comunican con las placas Arduino del calentadores que los usuarios pueden personalizar libremente el programa para sus necesidades. Todo el programa operativo utilizado en este estudio está disponible en Github.

Antes de imprimir, la tinta se centrifugó a 1000 g durante 3 min para eliminar las burbujas. La tinta se introdujo en una jeringa de 1 ml o 3 ml y la jeringa se cargó en el soporte de jeringa de la configuración. Se cargó un depósito de recolección, como una placa de Petri o portaobjetos de vidrio, en la etapa personalizada impresa en 3D. Se escribieron cuatro programas de control de Python para importar diferentes tipos de entradas de geometría: entradas de coordenadas, ecuaciones, modelos CAD e imágenes. Los parámetros de impresión, como la velocidad de impresión, la posición de compensación, el caudal de extrusión y la posición z inicial, son ajustables por el usuario y se pueden definir en el programa de control. De forma predeterminada, las construcciones se imprimieron en el centro del depósito colector, a menos que se definiera una posición de compensación.

Una lista de coordenadas (x = [x1, x2, …, xn], y = [y1, y2, …, yn]) se cargó directamente en el programa, donde xn e yn denotan las coordenadas x e y del punto n (ver Fig. 10 complementaria).

Se ingresó un conjunto de ecuaciones cartesianas o paramétricas junto con el rango definido de la variable independiente en el programa de control (consulte la Fig. 11 complementaria). La curva fue discretizada por al menos 100 puntos uniformemente espaciados, dependiendo de la longitud de la curva. Las construcciones que se muestran en la Fig. 3b se fabricaron utilizando ecuaciones de onda sinusoidal, curva de mariposa y círculo. Las características 3D se produjeron mediante la impresión de capas apiladas de la curva 2D de acuerdo con las alturas definidas del objeto y la capa.

Los modelos CAD en 3D se diseñaron con Autodesk Inventor o se descargaron de GradCAD (https://grabcad.com/library/software/stl) o Thingiverse (www.thingiverse.com). Antes del proceso de impresión, el modelo CAD se convirtió en un archivo de código G usando Slic3r (https://slic3r.org/) con los parámetros de corte definidos por el usuario (es decir, patrón de relleno, densidad de relleno, ancho de extrusión y altura de capa) . Luego, el archivo de código G se importó al programa de control de Python (consulte la Fig. 12 complementaria).

Las imágenes del diseño de impresión o las fotos de los bocetos dibujados a mano se importaron a Inkscape. Se convirtieron a código G usando la extensión 'Gcodetools' en Inkscape (https://inkscape.org/), que era una extensión diseñada para máquinas CNC. El procedimiento paso a paso de la conversión se puede encontrar en la Nota complementaria IX. Luego, el código G generado se importó al programa de control para la entrada de imágenes, que se escribió para aceptar el código G generado por esta extensión (consulte la Fig. 13 complementaria).

Se aplicaron calentamiento de jeringa y calentamiento de etapa cuando fue necesario. Fueron controlados por una interfaz gráfica de usuario (GUI) escrita a medida, donde los usuarios pueden especificar directamente la temperatura de punto de referencia deseada. La desviación aceptable de la temperatura de punto de referencia deseada se estableció por defecto en ± 0,5 °C aquí. El programa de control para la operación de calefacción está disponible en Github.

Se diseñó un patrón de línea 2D para imprimir en Inkscape y se convirtió a un archivo de código G. La forma 3D del objeto de destino (un modelo de nariz hecho de Ecoflex, figura complementaria 8) se capturó con un escáner 3D (EinScan H, SHINING 3D®) y se guardó como un archivo STL. Para analizar la superficie del objeto de destino, el archivo STL del modelo de la nariz se convirtió en un archivo de código G usando Slic3R con la siguiente configuración de corte (patrón de relleno = 'curva de Hilbert', ancho de extrusión = 0,2 mm, densidad de relleno = 100 % y altura de capa = 0,2 mm). Aquí se utilizó una configuración de relleno denso y un patrón de relleno de curva de Hilbert para describir con precisión el objeto de destino. Los códigos G del objeto de destino (el modelo de la nariz) y el patrón de impresión (un patrón de línea) se importaron luego a un programa Python de planificación de rutas escrito a medida. En el programa, la posición z del patrón de impresión se proyectó de acuerdo con la posición z del objeto de destino en las posiciones x, y similares. De manera predeterminada, el programa asume que el patrón se imprime alrededor del centro del objeto de destino, pero se puede usar una posición de desplazamiento si es necesario. El programa genera un archivo de texto de la matriz de coordenadas proyectada, que luego se importó al programa de control utilizado para la entrada de imágenes para implementar la impresión.

La línea celular de fibroblastos de embrión de ratón 3T3 se cultivó en un matraz de 25 cm2 y se pasó usando el protocolo estándar. Los medios de cultivo celular utilizados aquí fueron suero fetal bovino al 10% v/v (F0804, Sigma) y penicilina-estreptomicina al 1% v/v (P43333, Sigma) en DMEM (31885023, Life technologies). Se utilizó una suspensión celular con 2 × 106 células/ml en los experimentos de dispensación, con las células teñidas con calceína AM (C3099, Fisher Scientific) a una concentración de trabajo de 2 μM para la tinción de células vivas. Para evitar la sedimentación celular, inmediatamente después de la resuspensión, la tinta celular se introdujo en una jeringa luer-lok de 1 ml y se cargó en el portajeringas de la impresora para la operación de dispensación. El programa de control para la operación de dispensación está disponible en Github.

La Tabla complementaria 6 resume las tintas y los baños de soporte utilizados para fabricar las construcciones demostradas en este trabajo. Las tintas utilizadas aquí fueron SE1700 (Dow), 30 % p/v y 40 % p/v Pluronic F127 (P2443, Sigma), una tinta de alginato preentrecruzada, una tinta de alginato preentrecruzada de hidroxiapatita, 10 % p/v sal sódica de carboximetilcelulosa (21902, Sigma), 10 % de gelatina (G1890, Sigma), 25 % de ácido poliacrílico (450 kDa, 181285, Merck Life), colágeno (50201, Ibidi), una solución de PEGDA, 68 % en peso de metacrilato de hidroxipropilcelulosa y hialuronato de sodio al 3% p/v (251770250, Fisher Scientific). Algunas de las tintas se tiñeron con fluoresceína sódica (46960, Sigma) o rodamina B (A13572.18, Alfa Aesar). A menos que se especifique más, las tintas se prepararon disolviendo la concentración deseada del polvo químico en agua desionizada. La tinta de metacrilato de hidroxipropilcelulosa se preparó siguiendo el método descrito en nuestro estudio previo29. La tinta SE1700 se produjo mezclando el precursor base y el catalizador en una proporción de peso de 10:1. La tinta de alginato se preparó entrecruzando previamente una solución de alginato al 10 % p/v (W201502, Sigma) con una solución de CaCl2 200 mM (C5670, Sigma) en una proporción volumétrica de 10:3. La tinta de hidroxiapatita-alginato estaba hecha de hidroxiapatita al 15 % p/v (21223, Sigma) dispersada en una solución de alginato al 5 % p/v, que luego se entrecruzó previamente con una solución de CaCl2 200 mM en una proporción volumétrica de 10:1. La tinta PEGDA se preparó mezclando PEGDA (Mn 700, 455008, Merck Life), agua desionizada e Irgacure 2959 al 10 % p/v (g/100 ml de etanol, 410869, Sigma) en una proporción volumétrica de 2:8:1. La tinta Ecoflex (Smooth-On Inc.) se preparó siguiendo una formulación similar reportada en la literatura34, donde la Parte A Ecoflex 00-30 se mezcló con la Parte B Ecoflex 00-30 (con 1.2% p/v Slo-jo y 1.2 p/v % Thivex) con la adición de una gota de tinta acrílica de color naranja claro para su visualización. Los baños de apoyo usados aquí fueron 1,3 % de goma xantana (G1253, Sigma), 1 % p/v de Carbopol ETD 2020 (Lubrizol), 4,5 % p/v de suspensión de gelatina y 6 % p/v de sílice pirogénica (S5130, Merck Life) en aceite mineral (330760, Merck Life). Los baños de apoyo de Carbopol, suspensión de gelatina y aceite mineral de sílice pirogénica se prepararon siguiendo los protocolos descritos en estudios previos35,36,37.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria. El código y los diseños CAD de las piezas impresas en 3D están disponibles en Github (https://github.com/iekmanlei/Printer.HM) y a través de Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.5353394).

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC-StG, 758865) y UKRI - EPSRC (EP/S009000/1). IML reconoce el apoyo financiero de WD Armstrong Trust y el Fondo de Becas de Postgrado de Macao. CLL reconoce el apoyo de la Universidad de Macao a través de una Beca UM Macao y el Fondo de Becas Clarendon. YS reconoce el apoyo financiero del Chinese Scholarship Council. Los autores agradecen a la Dra. Yang Cao por su ayuda con el experimento de dispensación de células, a Abby Thompson por su ayuda con el escáner 3D, a Ian Ganney por su ayuda con el trabajo de mecanizado y al Dr. Clement Chun Lam Chan y a la profesora Silvia Vignolini (Departamento de Química, University of Cambridge) por proporcionar la solución de metacrilato de hidroxipropilcelulosa.

Departamento de Ingeniería, Universidad de Cambridge, Cambridge, Reino Unido

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

El Centro de Nanociencia, Universidad de Cambridge, Cambridge, Reino Unido

Iek Man Lei, Yaqi Sheng y Yan Yan Shery Huang

Instituto de Medicina Traslacional, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad de Macao, Macao, China

Chon Lok Lei

Departamento de Ciencias de la Computación, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido

Chon Lok Lei

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Todos los autores concibieron los experimentos y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Yan Yan Shery Huang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lei, IM, Sheng, Y., Lei, CL et al. Una impresora 3D de extrusión modular, multifuncional y pirateable para materiales blandos. Informe científico 12, 12294 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16008-6

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Recibido: 15 de marzo de 2022

Aceptado: 04 julio 2022

Publicado: 19 julio 2022

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

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