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co2激光切割机“变身”3D打印机:医疗领域大显身手

日前,美国莱斯大学(Rice University)的生物工程研究人员将一台商业级的二氧化碳激光切割机改装成了开源的选择性激光烧结(SLS)3D打印机。这款被命名为OpenSLS的3D打印机可以使用粉末状塑料材料打印3D对象。研究人员们将这项成果写成论文发表在了PLoS ONE上。

据了解,这款开放源码的OpenSLS的性能指标与市场上销售的SLS 3D打印机类似,但是成本要低得多。前者使用的是低成本的开源微控制器,总建造成本不到1万美元;而商业性的SLS 3D打印机市场价格通常是40万美元起,有的价格可高达100万美元。

生物学家将激光切割机改装成低成本SLS 3D打印机

该研究的共同作者、该校的生物工程助理教授Jordan Miller介绍说,他们希望能够使用SLS技术来制造一些研究中经常用到的复杂形状,比如肝脏的血管网络等,这是普通的FDM 3D打印技术所无法完成的。Miller教授的专业方向就是将3D打印用于组织工程和再生医学

他说,当前市场上的SLS 3D打印机一般不允许用户使用自己的粉末材料来打印对象,但是研究人员们却希望能够尝试各种生物材料以用于再生医学等生物医学领域。正是基于这个原因,他们才决定设计自己的SLS 3D打印机。

据该项研究的合作者、Miller团队的研究生Ian Kinstlinger介绍说,他们的SLS 3D打印机可以使用尼龙和聚己内酯(PCL)粉末来打印复杂的对象。PCL是一种无毒的生物材料,通常在被用在组织工程中制造研究对象。Kinstlinger补充说:“我们开源了所有的软硬件设计,并将其放在了GitHub上与大家共享。”

生物学家将激光切割机改装成低成本SLS 3D打印机

据悉,Miller在专业之外还是开源创客运动的积极参与者,正是他在2013年初确定了将一台商业级的CO2激光切割机改装为用途广泛的SLS 3D打印机。激光切割机通常使用激光切割材料来制作出指定的形状。

“这台切割机的激光波长正好在正确范围内——10微米左右,而且还拥有控制激光功率的硬件,除此之外它的X轴和Y轴的精度也很高。”Miller说。

生物学家将激光切割机改装成低成本SLS 3D打印机

2013年夏天,Miller举办了一个为期四周的硬件原型速成班。这个班的参与者之一、艺术家兼工程师Andreas Bastian接受了创建一台开源SLS打印机的挑战。他为Miller制订的激光切割机设计了一个集成的、高精度Z轴和粉末处理系统,并为它装上了从网上购买的开源3D打印机的电子器件。

Miller说,Bastian甚至这台激光切割机制造了很多亚克力部件用于组装粉体处理系统。“打造OpenSLS的部件花了大约2000美元左右,而将这些部件与现有的激光切割机组装起来,在加上调试,总共用了几天时间。”

而到2013年的秋天Bastian离开莱斯大学的时候,“我们已经通过了概念验证。”Miller说,“但是还要进行很多额外的工作,来证明OpenSLS在生物工程方面的作用,这就是Ian和其他成员需要完成的工作了。”

Miller称Kinstlinger主要对PCL材料进行了实验,这是一种具有生物兼容性的塑料,可以用于制造人体医用植入物,对于生物工程研究人员来说尤为重要。

“复杂的3D打印结构在人体生物学中是有用的,但是不同的形状和表面对不同环境的适用性也不相同。”Miller说。有些情况需要粗糙的表面和互连的孔隙结构,但是还有些生物应用需要光滑的表面,Kinstlinger补充说。

生物学家将激光切割机改装成低成本SLS 3D打印机

但是通常来说,SLS 3D打印机打印出来的对象表面相对来说都比较粗糙,为此Kinstlinge找出了一个有效的办法能够将OpenSLS 3D打印出来的对象表面变得光滑。他发现,将打印出来的部件短时间(大约5分钟)暴露在溶剂蒸汽中,能够使其表面变得非常光滑。

除此之外,Kinstlinger还在试验中使用了人骨髓间充质干细胞——这是一种可以分化称骨骼、皮肤、血管和其它组织的成体干细胞,他发现经过光滑处理的PCL结构在进行组织工程时表现得非常好,它具有与自然骨类似的属性。“干细胞粘结在了该结构表面、存活并分化成骨系,将钙盐沉积在整个支架上”他说。

Miller说,“我们的工作表明,OpenSLS为科学界对激光烧结的研究以及使用不同的材料制造复杂的几何形状提供了一个方便的平台。这是开源社区的又一个胜利。”


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