높은 개발

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22652(2022) 이 기사 인용

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생물학 연구에 3D 프린팅을 적용함으로써 조직 공학계에는 세포와 생물학적 물질을 복잡한 3D 구조로 구성하는 방법이 제공되었습니다. 많은 상업용 바이오프린팅 플랫폼이 존재하지만 가격은 5,000달러에서 1,000,000달러 이상에 이릅니다. 이러한 높은 진입 비용으로 인해 많은 연구실에서 3D 바이오프린팅을 연구에 통합하지 못합니다. 데스크탑 플라스틱 3D 프린터의 오픈 소스 특성으로 인해 대체 옵션은 저가형 플라스틱 프린터를 바이오 프린터로 전환하는 것이었습니다. 여러 오픈 소스 수정 사항이 설명되어 있지만 검증된 성능을 갖춘 구성 요소를 사용하여 열가소성 프린터를 바이오 프린터로 변환하기 위한 사용자 친화적인 단계별 가이드가 여전히 필요합니다. 여기에서는 총 비용이 900달러 미만인 Replistruder 4 주사기 펌프와 Duet3D Duet 2 WiFi를 사용하여 저가형 3D 프린터인 FlashForge Finder를 바이오 프린터로 전환했습니다. 우리는 바이오 프린터의 이동 정확도가 세 축 모두에서 35μm보다 우수하다는 것을 입증하고 평균 오류가 2% 미만인 정사각형 격자 콜라겐 지지체를 인쇄하여 충실도를 정량화합니다. 또한 콜라겐 바이오잉크를 사용하여 인간 귀의 지지체를 인쇄하여 임상 영상 데이터의 충실도 높은 재현을 보여줍니다. 마지막으로 접근성과 사용자 정의 가능성을 극대화하기 위해 바이오프린터 변환을 위해 설계한 모든 구성 요소는 추가 사용 사례에 맞게 바이오프린터를 추가로 수정하기 위한 지침과 함께 오픈 소스 3D 모델로 제공되어 바이오프린팅 분야에 대한 포괄적인 가이드가 됩니다.

적층 제조는 복잡한 3D 부품 제작, 신속한 설계 반복, 저렴한 비용의 맞춤화, 점점 더 다양해지는 엔지니어링 등급 재료의 사용을 가능하게 해주기 때문에 여러 산업에 큰 변화를 가져왔습니다1. 이러한 전환은 새로운 3D 프린팅 방법론을 개발하는 연구원과 분말 베드 프린팅, 배트 중합, 바인더 제트 및 재료 압출(예: 열가소성 필라멘트 압출)을 위한 산업 규모의 3D 프린터를 생산하는 회사의 지원을 받았습니다. 3D 바이오프린팅은 이러한 기술2,3,4 중 일부를 사용하여 세포화된 구조물과 잠재적으로 기능적인 조직 및 기관5,6,7,8을 구축함으로써 조직 공학 분야에 유사한 개선을 가져올 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 3D 바이오프린팅에서는 폴리머, 금속 또는 세라믹 대신에 인쇄되는 바이오잉크입니다. 여기서 사용되는 바이오잉크라는 용어에는 고밀도 세포 슬러리, 합성 및 천연 하이드로겔, 세포 함유 하이드로겔, 생체재료 잉크 및 이들의 조합이 포함됩니다. . 그러나 3D 바이오프린팅은 여전히 ​​주로 연구 개발 단계에 있기 때문에 광범위한 채택을 가로막는 장벽으로 인해 혁신이 제한됩니다. 이러한 장벽 중 가장 중요한 것은 5,000달러에서 1,000,000달러가 넘는 상업용 연구 등급 3D 바이오프린팅 플랫폼의 높은 비용입니다. 이러한 가격대에서는 일반적으로 자본 장비 구매와 전용 자금이 필요하며, 이로 인해 핵심 시설과 자금이 풍부한 연구 실험실에 대한 접근이 제한됩니다. 또한 이러한 3D 바이오프린팅 플랫폼 중 다수는 추가 비용 없이 맞춤형 애플리케이션에 맞게 수정하기 어렵고, 새로운 바이오재료와의 호환성이 제한적이며, 독점 프린팅 소프트웨어와 폐쇄형 하드웨어 생태계를 사용합니다.

이러한 문제에 대한 해결책은 2000년대 초반에 시작되어 20099년 FDM(융합 증착 모델링)에 대한 국내 및 국제 특허가 만료되면서 가속화된 오픈 소스 3D 프린팅 커뮤니티에서 나타났습니다. 처음으로 플라스틱 3D 프린팅이 시작되었습니다. 대기업이 독점하는 독점 장비와 재료를 사용하는 상대적으로 비싼 기술, 스타트업 기업이 촉발하는 오픈 소스 운동, 누구나 사용할 수 있는 저렴한 3D 프린터까지. 이르면 2012년부터 연구자들은 오픈 소스 커뮤니티를 통해 지속적으로 개선되고 있는 이러한 저가형 열가소성 프린터를 상용 프린터보다 수만 달러 저렴하게 고품질 결과를 생산할 수 있는 바이오 프린터로 전환하기 시작했습니다. 마찬가지로 Cornell의 fab@home 프로젝트와 같은 맞춤형 3D 바이오프린터에 대한 초기 작업은 상대적으로 저렴한 비용으로 오픈 소스 플랫폼을 구축할 수 있는 가능성을 보여주었습니다10. 이 기간 동안 우리 연구 그룹은 광범위한 오픈 소스 열가소성 프린터(예: MakerBot Replicator, LulzBot Mini 2, PrintrBot Simple Metal, FlashForge Creator Pro, MakerGear M2)를 고성능 3D 바이오 프린터11,12,13로 전환했습니다. 이를 통해 우리는 이러한 오픈 소스 프린터가 이미 보유하고 있는 고품질 3축 모션 시스템을 활용할 수 있게 되었으며, 특히 바이오 프린팅 세포 및 액체 바이오 잉크에 필요한 주사기 펌프 압출기와 같은 구성 요소만 추가하면 됩니다. 또한, 우리의 접근 방식은 열가소성 프린터의 원래 필라멘트 압출기와 동일한 스테퍼 모터를 사용하여 바이오 프린터의 주사기 펌프 압출기를 구동합니다. 이는 여러 고품질 오픈 소스 소프트웨어 패키지를 사용하여 3D 모델을 G 코드로 분할하고 플라스틱 인쇄와 마찬가지로 인쇄 프로세스를 제어할 수 있음을 의미합니다.