日前，美國萊斯大學(xué)（Rice University）的生物工程研究人員將一臺(tái)商業(yè)級(jí)的二氧化碳激光切割機(jī)改裝成了開源的選擇性激光燒結(jié)（SLS）3D打印機(jī)。這款被命名為OpenSLS的3D打印機(jī)可以使用粉末狀塑料材料打印3D對(duì)象。研究人員們將這項(xiàng)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(biāo)與市場上銷售的SLS 3D打印機(jī)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(jī)市場價(jià)格通常是40萬美元起，有的價(jià)格可高達(dá)100萬美元。
生物學(xué)家將激光切割機(jī)改裝成低成本SLS 3D打印機(jī)
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(shù)來制造一些研究中經(jīng)常用到的復(fù)雜形狀，比如肝臟的血管網(wǎng)絡(luò)等，這是普通的FDM 3D打印技術(shù)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(xué)。
他說，當(dāng)前市場上的SLS 3D打印機(jī)一般不允許用戶使用自己的粉末材料來打印對(duì)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(xué)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。正是基于這個(gè)原因，他們才決定設(shè)計(jì)自己的SLS 3D打印機(jī)。
據(jù)該項(xiàng)研究的合作者、Miller團(tuán)隊(duì)的研究生Ian Kinstlinger介紹說，他們的SLS 3D打印機(jī)可以使用尼龍和聚己內(nèi)酯（PCL）粉末來打印復(fù)雜的對(duì)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(duì)象。Kinstlinger補(bǔ)充說：“我們開源了所有的軟硬件設(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)的積極參與者，正是他在2013年初確定了將一臺(tái)商業(yè)級(jí)的CO2激光切割機(jī)改裝為用途廣泛的SLS 3D打印機(jī)。激光切割機(jī)通常使用激光切割材料來制作出指定的形狀。
“這臺(tái)切割機(jī)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(gè)為期四周的硬件原型速成班。這個(gè)班的參與者之一、藝術(shù)家兼工程師Andreas Bastian接受了創(chuàng)建一臺(tái)開源SLS打印機(jī)的挑戰(zhàn)。他為Miller制訂的激光切割機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jī)的電子器件。
Miller說，Bastian甚至這臺(tái)激光切割機(jī)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(jī)組裝起來，在加上調(diào)試，總共用了幾天時(shí)間。”
而到2013年的秋天Bastian離開萊斯大學(xué)的時(shí)候，“我們已經(jīng)通過了概念驗(yàn)證。”Miller說，“但是還要進(jìn)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(duì)PCL材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，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(duì)于生物工程研究人員來說尤為重要。
“復(fù)雜的3D打印結(jié)構(gòu)在人體生物學(xué)中是有用的，但是不同的形狀和表面對(duì)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(jié)構(gòu)，但是還有些生物應(yīng)用需要光滑的表面，Kinstlinger補(bǔ)充說。
生物學(xué)家將激光切割機(jī)改裝成低成本SLS 3D打印機(jī)
但是通常來說，SLS 3D打印機(jī)打印出來的對(duì)象表面相對(duì)來說都比較粗糙，為此Kinstlinge找出了一個(gè)有效的辦法能夠?qū)penSLS 3D打印出來的對(duì)象表面變得光滑。他發(fā)現(xiàn)，將打印出來的部件短時(shí)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(yàn)中使用了人骨髓間充質(zhì)干細(xì)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(xì)胞，他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過光滑處理的PCL結(jié)構(gòu)在進(jìn)行組織工程時(shí)表現(xiàn)得非常好，它具有與自然骨類似的屬性。“干細(xì)胞粘結(jié)在了該結(jié)構(gòu)表面、存活并分化成骨系，將鈣鹽沉積在整個(gè)支架上”他說。
Miller說，“我們的工作表明，OpenSLS為科學(xué)界對(duì)激光燒結(jié)的研究以及使用不同的材料制造復(fù)雜的幾何形狀提供了一個(gè)方便的平臺(tái)。這是開源社區(qū)的又一個(gè)勝利。”
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