Desenvolvimento de um alto

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22652 (2022) Citar este artigo

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A aplicação da impressão 3D à pesquisa biológica forneceu à comunidade de engenharia de tecidos um método para organizar células e materiais biológicos em estruturas 3D complexas. Embora existam muitas plataformas comerciais de bioimpressão, elas são caras, variando de US$ 5.000 a mais de US$ 1.000.000. Esse alto custo inicial impede que muitos laboratórios incorporem a bioimpressão 3D em suas pesquisas. Devido à natureza de código aberto das impressoras 3D de plástico de mesa, uma opção alternativa tem sido converter impressoras plásticas de baixo custo em bioimpressoras. Várias modificações de código aberto foram descritas, mas ainda há necessidade de um guia passo a passo fácil de usar para converter uma impressora termoplástica em uma bioimpressora usando componentes com desempenho validado. Aqui, convertemos uma impressora 3D de baixo custo, a FlashForge Finder, em uma bioimpressora usando nossa bomba de seringa Replistruder 4 e o Duet3D Duet 2 WiFi por um custo total de menos de US$ 900. Demonstramos que a precisão do deslocamento da bioimpressora é melhor do que 35 µm em todos os três eixos e quantificamos a fidelidade imprimindo estruturas de colágeno de rede quadrada com erros médios inferiores a 2%. Também mostramos a reprodução de alta fidelidade de dados de imagens clínicas, imprimindo um andaime de uma orelha humana usando biotinta de colágeno. Por fim, para maximizar a acessibilidade e a personalização, todos os componentes que projetamos para a conversão da bioimpressora são fornecidos como modelos 3D de código aberto, juntamente com instruções para modificar ainda mais a bioimpressora para casos de uso adicionais, resultando em um guia abrangente para o campo da bioimpressão.

A manufatura aditiva revolucionou vários setores porque permite a fabricação de peças 3D complexas, iteração rápida do projeto, personalização de baixo custo e o uso de uma gama crescente de materiais de nível de engenharia1. Essa transição foi apoiada por pesquisadores que desenvolvem novas metodologias de impressão 3D e empresas que produzem impressoras 3D em escala industrial para impressão em leito de pó, polimerização de cubas, jateamento de ligantes e extrusão de materiais (por exemplo, extrusão de filamentos termoplásticos). A bioimpressão 3D tem o potencial de trazer melhorias semelhantes, usando algumas dessas técnicas2,3,4, para o campo da engenharia de tecidos, construindo construções celularizadas e tecidos e órgãos potencialmente funcionais5,6,7,8. Em vez de polímeros, metais ou cerâmicas, na bioimpressão 3D é a biotinta que é impressa, onde o termo biotinta usado aqui inclui pastas celulares de alta densidade, hidrogéis sintéticos e naturais, hidrogéis carregados de células, tintas de biomateriais e suas combinações . No entanto, como a bioimpressão 3D ainda está principalmente no estágio de pesquisa e desenvolvimento, as barreiras à adoção generalizada servem para limitar a inovação. A principal dessas barreiras é o alto custo das plataformas comerciais de bioimpressão 3D de nível de pesquisa, que variam de US$ 5.000 a mais de US$ 1.000.000. Nesses pontos de preço, a compra de equipamentos de capital e fundos dedicados são normalmente necessários, o que limita o acesso a instalações básicas e laboratórios de pesquisa bem financiados. Além disso, muitas dessas plataformas de bioimpressão 3D são difíceis de modificar para aplicações personalizadas sem incorrer em custos adicionais, têm compatibilidade limitada com novos biomateriais e usam software de impressão proprietário e um ecossistema de hardware fechado.

Uma solução para esses problemas surgiu com a comunidade de impressão 3D de código aberto que começou no início dos anos 2000 e acelerou com a expiração de patentes nacionais e internacionais sobre modelagem por deposição fundida (FDM) em 20099. Pela primeira vez, a impressão 3D de plástico passou de uma técnica relativamente cara, usando equipamentos e materiais proprietários dominados por grandes empresas, a um movimento de código aberto estimulado por empresas iniciantes e impressoras 3D baratas que podem ser usadas por qualquer pessoa. Já em 2012, os pesquisadores começaram a converter essas impressoras termoplásticas de baixo custo, continuamente aprimoradas pela comunidade de código aberto, em bioimpressoras capazes de produzir resultados de alta qualidade por dezenas de milhares de dólares a menos do que as alternativas comerciais. Da mesma forma, os primeiros trabalhos em bioimpressoras 3D personalizadas, como o projeto fab@home em Cornell, mostraram o potencial de construir plataformas de código aberto a um custo relativamente baixo10. Durante esse período, nosso grupo de pesquisa converteu uma ampla gama de impressoras termoplásticas de código aberto (por exemplo, MakerBot Replicator, LulzBot Mini 2, PrintrBot Simple Metal, FlashForge Creator Pro, MakerGear M2) em bioimpressoras 3D de alto desempenho11,12,13. Isso nos permitiu aproveitar o sistema de movimento de 3 eixos de alta qualidade que essas impressoras de código aberto já possuem, precisando apenas adicionar os componentes, como a extrusora de bomba de seringa, especificamente necessária para células de bioimpressão e biotintas líquidas. Além disso, nossa abordagem usa o mesmo motor de passo da extrusora de filamento original da impressora termoplástica para acionar a extrusora de bomba de seringa da bioimpressora. Isso significa que vários pacotes de software de código aberto de alta qualidade podem ser usados ​​para dividir modelos 3D em código G e controlar o processo de impressão, assim como na impressão de plástico.