日前，美國萊斯大學（Rice University）的生物工程研究人員將一臺商業(yè)級的二氧化碳激光切割機改裝成了開源的選擇性激光燒結（SLS）3D打印機。這款被命名為OpenSLS的3D打印機可以使用粉末狀塑料材料打印3D對象。研究人員們將這項成果寫成論文發(fā)表在了PLoS ONE上。
據(jù)了解，這款開放源碼的OpenSLS的性能指標與市場上銷售的SLS 3D打印機類似，但是成本要低得多。前者使用的是低成本的開源微控制器，總建造成本不到1萬美元；而商業(yè)性的SLS 3D打印機市場價格通常是40萬美元起，有的價格可高達100萬美元。
生物學家將激光切割機改裝成低成本SLS 3D打印機
該研究的共同作者、該校的生物工程助理教授Jordan Miller介紹說，他們希望能夠使用SLS技術來制造一些研究中經(jīng)常用到的復雜形狀，比如肝臟的血管網(wǎng)絡等，這是普通的FDM 3D打印技術所無法完成的。Miller教授的專業(yè)方向就是將3D打印用于組織工程和再生醫(yī)學。
他說，當前市場上的SLS 3D打印機一般不允許用戶使用自己的粉末材料來打印對象，但是研究人員們卻希望能夠嘗試各種生物材料以用于再生醫(yī)學等生物醫(yī)學領域。正是基于這個原因，他們才決定設計自己的SLS 3D打印機。
據(jù)該項研究的合作者、Miller團隊的研究生Ian Kinstlinger介紹說，他們的SLS 3D打印機可以使用尼龍和聚己內(nèi)酯（PCL）粉末來打印復雜的對象。PCL是一種無毒的生物材料，通常在被用在組織工程中制造研究對象。Kinstlinger補充說：“我們開源了所有的軟硬件設計，并將其放在了GitHub上與大家共享。”
據(jù)悉，Miller在專業(yè)之外還是開源創(chuàng)客運動的積極參與者，正是他在2013年初確定了將一臺商業(yè)級的CO2激光切割機改裝為用途廣泛的SLS 3D打印機。激光切割機通常使用激光切割材料來制作出指定的形狀。
“這臺切割機的激光波長正好在正確范圍內(nèi)——10微米左右，而且還擁有控制激光功率的硬件，除此之外它的X軸和Y軸的精度也很高。”Miller說。
2013年夏天，Miller舉辦了一個為期四周的硬件原型速成班。這個班的參與者之一、藝術家兼工程師Andreas Bastian接受了創(chuàng)建一臺開源SLS打印機的挑戰(zhàn)。他為Miller制訂的激光切割機設計了一個集成的、高精度Z軸和粉末處理系統(tǒng)，并為它裝上了從網(wǎng)上購買的開源3D打印機的電子器件。
Miller說，Bastian甚至這臺激光切割機制造了很多亞克力部件用于組裝粉體處理系統(tǒng)。“打造OpenSLS的部件花了大約2000美元左右，而將這些部件與現(xiàn)有的激光切割機組裝起來，在加上調(diào)試，總共用了幾天時間。”
而到2013年的秋天Bastian離開萊斯大學的時候，“我們已經(jīng)通過了概念驗證。”Miller說，“但是還要進行很多額外的工作，來證明OpenSLS在生物工程方面的作用，這就是Ian和其他成員需要完成的工作了。”
Miller稱Kinstlinger主要對PCL材料進行了實驗，這是一種具有生物兼容性的塑料，可以用于制造人體醫(yī)用植入物，對于生物工程研究人員來說尤為重要。
“復雜的3D打印結構在人體生物學中是有用的，但是不同的形狀和表面對不同環(huán)境的適用性也不相同。”Miller說。有些情況需要粗糙的表面和互連的孔隙結構，但是還有些生物應用需要光滑的表面，Kinstlinger補充說。
生物學家將激光切割機改裝成低成本SLS 3D打印機
但是通常來說，SLS 3D打印機打印出來的對象表面相對來說都比較粗糙，為此Kinstlinge找出了一個有效的辦法能夠?qū)penSLS 3D打印出來的對象表面變得光滑。他發(fā)現(xiàn)，將打印出來的部件短時間（大約5分鐘）暴露在溶劑蒸汽中，能夠使其表面變得非常光滑。
除此之外，Kinstlinger還在試驗中使用了人骨髓間充質(zhì)干細胞——這是一種可以分化稱骨骼、皮膚、血管和其它組織的成體干細胞，他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過光滑處理的PCL結構在進行組織工程時表現(xiàn)得非常好，它具有與自然骨類似的屬性。“干細胞粘結在了該結構表面、存活并分化成骨系，將鈣鹽沉積在整個支架上”他說。
Miller說，“我們的工作表明，OpenSLS為科學界對激光燒結的研究以及使用不同的材料制造復雜的幾何形狀提供了一個方便的平臺。這是開源社區(qū)的又一個勝利。”
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