ハッキング可能なマルチ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12294 (2022) この記事を引用

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75 オルトメトリック

メトリクスの詳細

三次元 (3D) プリンティングは、材料、食品、ライフサイエンスの研究開発のための強力なツールとして台頭しており、テクノロジーの民主化によりオープンソースプラットフォームの進歩が必要となっています。ここでは、Printer.HM という愛称の、軟質材料用のハッキング可能な多機能モジュール式押出 3D プリンターを開発しました。マルチプリントヘッドモジュールは、異種構造作成用のロボットアームに基づいて確立されており、インクの印刷適性は加熱モジュールや UV モジュールなどのアクセサリによって調整できます。 Printer.HM に関連するソフトウェアは、コンピュータ支援設計モデル、座標、方程式、画像などの幾何学入力を受け入れ、独特の特徴を持つプリントを作成するように設計されています。 Printer.HM はさらに、液体の分配、非平面印刷、メソオブジェクトのピックアンドプレースなどの多用途の操作を実行できます。 Printer.HM は、ソフトウェアとハードウェアの設定を「組み合わせて」使用することにより、pH 応答性ソフトアクチュエーター、植物ベースの機能性ヒドロゲル、臓器のマクロ解剖学的モデルの印刷を実証しました。手頃な価格とオープンなデザインを統合する Printer.HM は、ソフト、生物学的、持続可能な材料アーキテクチャの 3D プリンティングを民主化することを構想しています。

3D プリンティングの出現により、多種多様なソフト素材や機能素材の組み合わせから任意に構築された物質を迅速に作成する潜在的な自由が提供され、食品から組織工学、ソフトエレクトロニクスやロボット工学に至るまで、多様な研究分野に革命をもたらします1、2、3、4、5。、６．軟質材料用のさまざまな 3D プリンティング方式の中で、押出ベースのプリンティングは、その広範な材料互換性、材料使用量の少なさ、廃棄物の少なさ、および構造の特性を空間的に制御できる機能により、おそらく最も広く使用されている方式です 2,3,7,8,9 、組成10、光子特性11、カプセル化された繊維の配向12、13、強磁性特性14など。しかし、押出 3D プリンティングにおける継続的なイノベーションでは、コストの壁と、既存の商用システムに関連する適応性の制限を克服する必要があります。いくつかのオープンソースのカスタムメイドの押し出し 3D プリンタが報告されていますが 15、16、17、18、19、印刷可能な材料とアーキテクチャは、補助ツールと印刷パスオプションの不完全なセットによって制限されていました（補足表 I と補足図1)。多機能の押出印刷を民主化するために、マルチプリントヘッドと柔軟な材料用の高度にカスタマイズ可能な押出ベースの 3D プリンタの開発について報告します。ここではプリンタに「Printer.HM」という名前を付けます。HM は Hackable and Multi-functions の略です。 Printer.HM は、従来のコンピュータ支援設計 (CAD) G コード入力に加えて、座標、方程式、画像などのさまざまなジオメトリ入力を容易に受け入れることができます。 Printer.HM のバージョンを確立するための総コストは、装備されているユーティリティの数に応じて、900 ポンドから 1900 ポンドの間です (部品の印刷時間を除く、インストール時間は 2 ～ 4 時間かかります)。 Printer.HM は、さまざまな液体および柔らかい材料 (mPa s から kPa s まで) との優れた印刷互換性を提供します。液体ディスペンス、マルチマテリアル印刷、可変速印刷、非平面印刷、ピックアンドプレイスアプリケーションなど、無数の操作を実行できます。「Printer.HM」のモジュール設計とモーションコントロールとしてのロボットアームの使用により、ユーザーはセットアップを簡単に組み立てて再構成し、個人の実験ニーズに基づいて機能を拡張できます。全体として、Printer.HM のハック可能、拡張可能、手頃な価格の性質により、押出 3D プリンティング技術の広範な適応性が促進され、ソフト、生物学的、持続可能な材料を利用する研究コミュニティでのオープンイノベーションが促進されると予想されます。

図 1 は、市販のバイオプリンターに代わる手頃な価格でハッキング可能な代替品としての押出ベースの 3D プリンター「Printer.HM」の主な機能を示しています (仕様の比較については補足表 2 を参照)。このシステムは、ハッキング可能なロボットアーム上に構築されています (実際のセットアップについては補足図 2 を参照)。独自のファームウェアによりカスタマイズ性とユーティリティの数が依然として制限される可能性があるため、既存の溶融堆積モデリングプリンターの再利用に依存しません。システムに取り付けることができる (プリントヘッドや UV モジュールなど)18、20。エンクロージャに収容され、さまざまなモジュールを簡単に再構成できるようにアルミニウムブレッドボード上に構築されたプリンタのコア部分は、ディスペンスモジュール (つまり、4 つのカスタムビルドのピストン駆動プリントヘッド) で構成されています。ステージはロボットアームによって動作制御されます。ここでは、一連の 3 軸ガントリーリニアステージの代わりに、ロボットアームによって制御される可動ビルドプレートを使用することで、コンパクトさと組み立ての容易さという利点が得られます。 Printer.HM の推定構築体積は ~ 490 cm3 ですが、ロボットアームの最大積載量によって制限されます。

Printer.HM の特徴は、ハードウェアとしての複数の補助ツールとソフトウェアとしての柔軟な形状入力で構成され、1 つのプラットフォームで多機能を実現します。

軟質材料の印刷能力はインクのレオロジーと架橋に大きく依存するため3、「Printer.HM」にはシリンジヒーター、ステージヒーター、ヒドロゲルの印刷を支援する UV モジュールなどの追加補助ツールが装備されています。 (補足図2)。ヒーターはステージとシリンジの温度を室温から ~ 60 °C まで制御できます。これは、ほとんどの種類のヒドロゲルやエラストマー材料に十分です。標準的なガラススライド、ペトリ皿（90、55、および35 mm）、長方形の容器（40および30 mm）など、さまざまなサイズの受け取り基板またはリザーバーに適合するようにさまざまなステージがカスタム設計されました（補足図2b）。「Printer.HM」のプリントヘッドは、リードスクリュー、ステップごとの塗布解像度が 0.8 μm のマイクロステッピングモーター (補足ノート V を参照)、安定性とコンパクト性を高めるためのリニアレールなどの単純な機械コンポーネントから構築されています。プリントヘッドのシリンジホルダーは 3D プリントされており、ユーザーの実験に合わせてさまざまなサイズのディスペンシングユーティリティに合わせてカスタマイズすることができます。概念実証として、ほとんどの研究室ベースのアプリケーションと互換性のある 3 ml または 1 ml シリンジに対応するようにプリントヘッドをカスタマイズしました。

印刷パスを自由に調整できることは、機械的特性 21、刺激応答モーフィング動作 12,22、構成内のセルの方向 23 など、印刷された構成の特性を直接制御するため重要です。市販および既存のカスタムメイドの押出ベースのプリンターは、通常、印刷デザインを記述するための唯一のオプションとして CAD モデル/G コードを採用しています 1、3、7 (補足表 1 および 2)。これらのシステムではジオメトリ入力オプションが提供されていないため、特にアクチュエータ構造の場合、設計の自由度や印刷パスのカスタマイズ性が制限される可能性があります24。したがって、printer.HM は、異なる特性のプリントを作成するために 4 つの異なるジオメトリ入力を受け入れるように設計されました。それらは、座標、方程式、G コード、画像です。

全体として、「Printer.HM」のモジュール設計により、ユーザーは実験要件やリソース制限に基づいてセットアップを再構成できるとともに、研究コミュニティが新しいモジュールを設計することでシステムの機能を拡張することを奨励します。概念実証として、ここでは 4 つのプリントヘッドが構築されました。この完全装備の 4 つのプリントヘッドシステムの総コストは約 1,900 ポンドですが、単一のプリントヘッドシステムのコストは約 900 ポンドです。これにより、市販のバイオプリンターと比較して大幅なコスト削減が実現します3。「Printer.HM」のインストール時間は、部品の 3D プリントにかかる時間を除き、2 ～ 4 時間程度です。システムの再現性を高めるために、プリンタアセンブリの段階的な説明が補足ノート III に記載されています。

既存のオープンソースプリンターと比較して、「Printer.HM」に関連付けられた補助ツールの幅広いセットにより、さまざまなマテリアルとジオメトリの組み合わせを構築する機能が大幅に強化されています (補足図 1 および補足表 1 を参照)。例として、図 2a に示すように、Printer.HM を使用して、熱誘起ゲル化や光誘起架橋など、さまざまなゲル化メカニズムを必要とする軟質材料の押出印刷を実行しました。熱応答性ヒドロゲルは自己集合し、下限臨界溶液温度 (LCST) または上限臨界溶液温度 (UCST) で定義される臨界温度で相転移します 25,26。ゼラチンやアガロースを含む UCST ハイドロゲルは、UCST より低い温度で冷却するとゲル形成を受けます 27,28。逆に、LCST (例: Pluronic F127) ヒドロゲルのゲル化は、温度を LCST28 より高くすると発生します。 Printer.HM を使用すると、シリンジヒーターは押出中にインクを加熱することで UCST ハイドロゲル (ゼラチン) の印刷を支援し、ステージヒーターは構築されたプレートの高温でレオロジーを強化することで LCST ハイドロゲルの印刷形状を維持します。 UV モジュールを使用すると、印刷中に光重合性ヒドロゲル (メタクリレートヒドロキシプロピルセルロース 29) をその場で架橋できます。さらに、図2bに示すように、プリンターは、ポリ（エチレングリコール）ジアクリレート（PEGDA、粘度20 mPa s30の低粘度インク）、コラーゲン、シリコーンエラストマー（補足を参照）など、さまざまな生体材料を印刷できます。図８）カルボキシルメチルセルロースナトリウムの高粘度溶液（１５００Ｐａ・ｓ）に添加した。

(a) LCST ハイドロゲル (例: Pluronic F127)、UCST ハイドロゲル (例: ゼラチン)、および光重合性ハイドロゲル (例: メタクリレートヒドロキシプロピルセルロース) の印刷を支援するためのさまざまな補助ツールの使用を示す図。 (b) このセットアップを使用すると、広い粘度範囲にわたるさまざまな材料を印刷できます。 (c) 34G 針、825 μL/h の押出流量、および 5 mm/s のステージ速度を使用して製造された、印刷された Pluronic F127 フィラメントの線幅の分布。線幅の中央値 = ~ 150 μm。 (4 つの独立したサンプルにわたる n = 120 の測定値)。 (d) 異なる印刷パラメータ (つまり、ステージ速度、押出流量、ニードルサイズ) を使用したときに得られた理論上の線幅と測定した線幅 (n ≥ 20) を比較した図。実験はプルロニック F127 を使用してオーバーエクストルージョン条件で実行されました。この条件では、印刷設定から生じる理論上の線幅がニードルサイズよりも大きくなります。恒等線 (y = x、黒線で表示) からの点の偏差は、測定された線幅と理論上の線幅の間の不一致を示します。 (a) および (b) のスケールバー = 5 mm。 (c) のスケールバー = 500 μm。

さらに、Pluronic F127 でラインパターンを印刷することで、「Printer.HM」の印刷解像度を実証します。このテストは、文献で一般的に使用されている Pluronic F127 を使用して実行されました。最適化されていない操作パラメータ設定を使用した場合、「Printer.HM」で達成された Pluronic F127 の特徴の中央値は約 150 μm (図 2c) であり、これは押出ベースのバイオプリンティングで通常達成される解像度に匹敵します 7,31。ただし、印刷されたフィーチャの解像度は主にインクの特性によって決まることに注意してください。 Printer.HM のパフォーマンスをさらに評価するために、さまざまな押出流量 (\(Q\)) とステージ速度 (\(v_{stage}\)) の設定によるフィラメントの線幅を測定し、測定された線を比較しました。 width と理論上の線幅 (~ \(\sqrt {\frac{4Q}{{\pi \cdot v_{stage} }}}\)、詳細については補足ノート VII を参照)。図 2d に示すように、1 に近い r2 の値が見つかり、これは測定された線幅と理論上の線幅がよく一致していることを示しており、したがって Printer.HM の満足のいくパフォーマンスが示唆されています。

図 3 は、さまざまなジオメトリ入力を使用して製造された多種多様な構造を示しており、それぞれがアーキテクチャ要件に応じて独自の強みを持っています。ジオメトリ入力の最も一般的な形式である座標は、1 次元チャネルなどの単純な線形または規則的なパターンを作成するのに特に役立ちます (図 3a、補足ビデオ 1)。一方、方程式入力を使用すると、シームレスな一筆書きの曲線パターンを作成できますが、方程式で記述できない複雑なパターンには適していません (図 3b、補足ビデオ 2)。図 3b は、CAD ファイルを準備する必要がなく、円の方程式を使用して単純な管状構造を簡単に作成できることを示しています。一方、3 次元の複雑なオブジェクトは、3D プリンティングで使用される標準幾何学形式である 3D CAD モデルで適切に表現できます (図 3c、補足ビデオ 3)。最後に、画像入力では、手描きのパターンの写真や描画ソフトウェアで作成した画像を使用して、カスタマイズされたモチーフを作成できます。画像入力オプションを活用することで、回路や血管のようなパターンなど、ユーザーが設計したパターンを簡単に作成できます (図 3d.i–d.ii)。

多彩なジオメトリ入力オプションにより、(a) 座標、(b) 方程式、(c) G コードに変換された CAD モデル、および (d) 画像ジオメトリを介して、さまざまな特性を持つプリントを作成できます。ここで使用される材料は、材料と方法および補足表 6 に記載されています。スケールバー = 5 mm。

特にソフトロボティクスアプリケーションにおいて、印刷パスのカスタマイズ機能の利点をさらに説明するために、異方性印刷パスを利用して、pH 応答性ハイドロゲルで作られたソフトモーフィングシステムの作成を実証しました。図 3d.iii および補足ビデオ 4 に示すように、不均一なプリントパスで作成された 2D 構造は異方性の膨張応答を示し、花の形に変形しました。操作の柔軟性は、ここで提供される 4 つのジオメトリ入力に限定されないことに言及する価値があります。制御プログラムは完全にハッキング可能なため、ユーザーは自由にプログラムを修正して、これまでにないデザインを実現できます。

カスタマイズ可能な制御プログラムにより、「Printer.HM」の操作はユーザーが修正可能で多機能です。自動塗布、可変速印刷、非平面印刷などの操作が「Printer.HM」で実行できることを示します。例えば、液体の取り扱いは、ライフサイエンスの実験において常に不可欠な役割を果たします。そこで、制御プログラムを変更することで「Printer.HM」をディスペンサーに変身させました。図 4a と補足ビデオ 5 は、細胞懸濁液の液滴がペトリ皿上に自動的に分配されたことを示しています。液滴の分配量は、押し出し流量と分配時間によって制御できます。異なる吐出時間を設定するだけで、さまざまなサイズの液滴が得られます。この機能は、ハンギングドロップ法を自動化して細胞スフェロイドを生成し、印刷物内に有効成分を分配するのに役立つ可能性があります。

Printer.HMの多彩な機能。（a）（ai）一定の液滴体積および（a.ii）可変の液滴体積でのペトリ皿への細胞懸濁液の自動分注。 (a.ii) の黒い矢印は分注経路の方向を示し、白い矢印は小量から大量までの制御可能な液滴サイズの変化を示しています。 (b) 可変速度で印刷された Pluronic F127 で作られたスパイラル曲線。 (c) 3D 鼻モデル上の Pluronic F127 ラインパターンの非平面印刷。スケールバー = 5 mm。

図4bに示すように、幅が連続的に狭くなる特徴は、ステージの速度を変えることで簡単に生成でき、階層的な血管ネットワークの作成に役立ちます。さらに、プラットフォームを使用して非平面印刷を実行する機能を実証します。面ごとのスライシングに依存する従来の市販の 3D プリンタとは対照的に、非平面印刷では、プリンタの動作部分を 3 つの軸すべてで同時に動かすことによって、自由曲面にインクを印刷する必要があります。図 4c と補足ビデオ 6 は、3D ターゲット鼻モデルに印刷されたラインパターンを示しています。ターゲットオブジェクトの 3D 表面は 3D スキャナを使用して評価され、カスタム作成コードを使用して非平面ジオメトリに従ってラインパターンが投影されました (詳細は「材料と方法」で説明します)。インクをさまざまな物体の表面に直接堆積できる機能により、自由形状回路 32 や機能性材料の堆積など、3D 押出印刷技術の新しい応用が可能になる可能性があります。最後に、図5aと補足ビデオ7で、ノズルベースのメソオブジェクトの「ピックアンドプレイス」を示します。このような操作により、異なる環境間で細胞スフェロイドの位置を特定するアプリケーションが可能になります。

(a) 自動ピックアンドプレース操作。(i) ピックアップ、(ii) ターゲットのマイクロウェルへの印刷オブジェクトの移送、および (iii) 配置を示します。 6 w/v% ゼラチンと 1 w/v% アルギン酸塩で構成される印刷物をフルオレセインナトリウムで染色し、物体を説明するために UV タッチを使用しました。 (b) (i) Pluronic F127 インクと (ii) 異なる色で染色された複数の Pluronic インクの空中印刷。 (c) カーボポール浴中でのヒアルロン酸ナトリウムインクの埋め込み印刷、および (ii) 肺構造を形成するためのキサンタンガム浴中で異なる色で染色された複数のアルギン酸塩インク。スケールバー = 5 mm。

「Printer.HM」に装備されている複数のプリントヘッドにより、マルチマテリアル構造の製造が容易になります。デモンストレーションとして、図 5b.ii は、空気中で印刷されたさまざまな染料で着色された Pluronic F127 インクで構成される 4 層構造と、サポートバス内で印刷されたアルギン酸塩インクで作られた肺と気管を含む呼吸器系のモデルを示しています (図 5b.ii)。 .5c.ii–c.iii)。この機能により、通常は複数の構成要素で空間的に不均一である高度な組織解剖学的構造を生成する将来の可能性が開かれます。

押出 3D プリンティングは、軟組織構造体や生体模倣ソフトアクチュエータを製造するための有望なアプローチです 3,33。ただし、商用プリンターは通常、コストが非常に高く、十分なカスタマイズができず、比較的大量に動作するため、タンパク質ベースの材料など、多くの生物学的材料と互換性がない可能性があります。これらの制限は、テクノロジーの継続的な革新と、特にリソースが限られたコミュニティでのその広範な採用を大きく妨げます3。これらの制限に対処するために、ここでは、柔軟な素材の印刷用に複数のプリントヘッド、ヒーター、UV モジュールを備えた、手頃な価格で高度にカスタマイズ可能なオープンソースの押し出し 3D プリンター Printer.HM を紹介します。このプリンターは、簡単な機械コンポーネントと、すぐに入手して製造できる 3D プリントされた部品から構築されています。モーションコントロールにはコンパクトで組み立てが容易なロボットアームを採用しました。 Printer.HM は、手頃な価格 (4 つのプリントヘッドシステムで 1900 ポンド) と、小規模な生物学的用途に望ましい小型サイズのシリンジとの互換性を提供します。注目すべきことに、「Printer.HM」で提供される型破りなジオメトリ入力オプションにより、独特のデザインのプリントを作成できます。画像ジオメトリ入力を使用すると、CAD の経験のないユーザーでも印刷パスを簡単にカスタマイズできます。これは、刺激応答性ハイドロゲルのモーフィング動作を制御する場合に特に有益です。低コストでカスタムメイドのシステムであるにもかかわらず、「Printer.HM」は、ヒドロゲルからシリコーンエラストマーまで、幅広い粘度 (20 mPa s ～ 1.5 kPa) にわたるさまざまな軟質材料で優れた印刷能力を提供します。 s）。さらに、このシステムは、可変速印刷や非平面印刷など、さまざまな型破りなタスクを実行できます。

それにもかかわらず、「Printer.HM」にはいくつかの制限が記載されています。まず、「Printer.HM」で使用される移動ステージシステムの設計により、空中で印刷される低粘度オブジェクトの忠実度が損なわれる可能性があります。潜在的な影響を軽減するために、低粘度材料の繊細な構造を印刷する場合は、ステージの速度を非常に遅くすることができます。第 2 に、「Printer.HM」には、タンパク質ベースのインクの印刷を支援する冷却システムや、インクの意図しない滲み出しを防ぐインク回収機構が含まれていません。将来の研究では、機械的に駆動されるプリントヘッドモーターの逆回転を設定することで実現できる格納機構が注目され、印刷の忠実度をさらに高めることができます。また、ハイドロゲルなどの柔らかい材料の印刷には、一般に高い加熱温度 (つまり、60 °C 以上) は必要なく、押出ベースの印刷のフィーチャー解像度は通常 > 100 μm7 であることにも言及する価値があります。したがって、Printer.HM は市販のシステムよりも機械解像度が低く、加熱範囲が狭いにもかかわらず (補足表 2 を参照)、満足のいく印刷性能が達成されます。さらに、システムのモジュール設計により、システムの再構成と拡張性が容易になります。ユーザーは、将来の開発において、マイクロ流体プリントヘッド、冷却器などの新しい機能を「Printer.HM」に組み込むことができます。要約すると、私たちの研究は、カスタマイズ性とオールインワン機能が向上した手頃な価格の 3D 押出プリンターを確立し、DIY 研究コミュニティに利益をもたらし、組織工学などのさまざまな分野でのオープンで革新的な製造戦略の開発を促進する可能性があります。、ソフトロボット工学、食品、環境に優しい材料加工。

「Printer.HM」は、市販のオープンソースロボットアーム（uArm Swift Pro Desktop Robotic Arm）とディスペンスモジュールをコア部分とし、加熱システム、UVモジュール、オプションのユーティリティとして検査カメラを追加します。ロボットアームは、3D プリントされたステージの x、y、z 軸の動きを制御しました。標準的なガラススライド、ペトリ皿（90、55、および35 mm）、長方形の容器（40および30 mm）など、さまざまなサイズの受け取り基板またはリザーバーに適合するようにさまざまなステージがカスタム設計されました（補足図2b）。ディスペンスモジュールは、単純な機械コンポーネント (ステッピングモーター、リニアレール、ボールベアリングなど) とカスタム設計の 3D プリント部品から構築された DIY (DIY) ピストン駆動プリントヘッドで構成されています。「Printer.HM」の 3D プリント部品のすべての CAD ファイルはアクセス可能で、Github リポジトリで入手できるため、ユーザーは必要に応じて部品を自由に修正してアプリケーションに合わせて調整できます。 3D プリントされた部品は、Ultimaker S3 3D プリンタを使用して、ポリ乳酸 (PLA) またはアクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS) でプリントされました。概念実証として、ここでは 4 つのプリントヘッドが構築され、1 ml または 3 ml のシリンジに対応するように設計されていますが、ユーザーはプリントヘッドの数を調整したり、他のサイズの分注ツールに適合するようにシリンジホルダーのデザインを修正したりすることができます。実験の必要性に応じて。

「Printer.HM」のステージおよびシリンジ加熱システムは、加熱要素としてニクロム線 (UMNICWIRE2、Ultimachine) が巻かれた特注のアルミニウムホルダーと K タイプ熱電対 (Z2-K-1M、Labfacility) で構成されています。 ) 温度センサーとして。ここでは UV LED 光源 (5 W、365 nm、NSUV365、Nightsearcher) が使用され、「Printer.HM」のアルミニウムブレッドボードに取り付けられました。一方、ユーザーは光開始剤の選択に基づいてさまざまな光源を選択できます。印刷プロセスをその場で監視および記録するために、検査カメラユニットがアルミニウムブレッドボードに取り付けられました。分注モジュールと加熱システムは Arduino ボードに接続され、ロボットアームには制御用の Arduino が組み込まれています。プリンターの組み立て説明書および「Printer.HM」の電気回路は補足説明Ⅲに記載されています。

印刷操作は、ロボットアームおよび塗布モジュールの Arduino ボードと同期通信するカスタム作成の Python プログラムによって実装されましたが、加熱モジュールは、ロボットアームの Arduino ボードと通信するグラフィカルユーザーインターフェイス (GUI) によって独立して制御されました。ユーザーがニーズに合わせてプログラムを自由にカスタマイズできるヒーター。今回の研究で使用した動作プログラムはすべてGithubで公開されています。

印刷前に、インクを 1000 g で 3 分間遠心分離して気泡を取り除きました。インクを 1 ml または 3 ml のシリンジに引き込み、シリンジをセットアップのシリンジホルダーに装填しました。ペトリ皿やスライドガラスなどの収集リザーバーが、3D プリントされたカスタムメイドのステージにロードされました。 4 つの Python 制御プログラムは、座標、方程式、CAD モデル、画像入力など、さまざまなタイプのジオメトリ入力をインポートするために作成されました。印刷速度、オフセット位置、押し出し流量、初期 Z 位置などの印刷パラメータはユーザーが調整でき、制御プログラムで定義できます。デフォルトでは、オフセット位置が定義されていない限り、構築物は収集リザーバーの中心に印刷されます。

座標のリスト (x = [x1, x2, …, xn], y = [y1, y2, …, yn]) がプログラムに直接ロードされました。ここで、xn と yn は n 番目の点の x 座標と y 座標を示します。 (補足図10を参照)。

デカルト方程式またはパラメトリック方程式のセットと独立変数の定義された範囲が制御プログラムに入力されました (補足図 11 を参照)。曲線は、曲線の長さに応じて、少なくとも 100 個の等間隔の点で離散化されました。図3bに示す構造は、正弦波、バタフライ曲線、円の方程式を使用して作成されました。 3D フィーチャは、定義されたオブジェクトとレイヤーの高さに従って 2D 曲線の積層レイヤーを印刷することによって生成されました。

3D CAD モデルは、Autodesk Inventor を使用して設計されたか、GradCAD (https://grabcad.com/library/software/stl) または Thingiverse (www.thingiverse.com) からダウンロードされました。印刷プロセスの前に、CAD モデルは Slic3r (https://slic3r.org/) を使用してユーザー定義のスライスパラメーター (つまり、塗りつぶしパターン、塗りつぶし密度、押し出し幅、層の高さ) を使用して G コードファイルに変換されました。。次に、G コードファイルが Python 制御プログラムにインポートされました (補足図 12 を参照)。

印刷デザインの写真または手描きのスケッチの写真が Inkscape にインポートされました。これらは、CNC マシン用に設計された拡張機能である Inkscape (https://inkscape.org/) の「Gcodetools」拡張機能を使用して G コードに変換されました。変換の段階的な手順については、補足説明 IX を参照してください。生成された G コードは、この拡張機能によって生成された G コードを受け入れるように作成された画像入力用の制御プログラムにインポートされました (補足図 13 を参照)。

必要に応じて、シリンジ加熱およびステージ加熱を適用した。これらはカスタム作成されたグラフィカルユーザーインターフェイス (GUI) によって制御され、ユーザーは希望の設定温度を直接指定できます。ここでは、所望の設定温度からの許容偏差はデフォルトで ± 0.5 °C に設定されています。加熱動作の制御プログラムはGithubで公開されています。

印刷用の 2D ラインパターンを Inkscape 上でデザインし、G コードファイルに変換しました。対象物体（Ecoflex 製の鼻モデル、補足図 8）の 3D 形状を 3D スキャナー（EinScan H、SHINING 3D®）を使用してキャプチャし、STL ファイルとして保存しました。対象物体の表面を解析するため、ノーズモデルのSTLファイルをSlic3Rを使用し、以下のスライス設定（フィルパターン＝「ヒルベルト曲線」、押し出し幅＝0.2mm、フィル密度＝100）でGコードファイルに変換しました。 %、層の高さ = 0.2 mm)。ここでは、ターゲットオブジェクトを正確に記述するために、密な埋め込み設定とヒルベルト曲線埋め込みパターンが使用されました。次に、ターゲットオブジェクト (鼻モデル) と印刷パターン (ラインパターン) の G コードが、カスタム作成されたパスプランニング Python プログラムにインポートされました。プログラムでは、印刷パターンの Z 位置は、同様の X、Y 位置にあるターゲットオブジェクトの Z 位置に従って投影されました。デフォルトでは、プログラムはパターンがターゲットオブジェクトの中心付近に印刷されることを想定していますが、必要に応じてオフセット位置を使用できます。投影された座標配列をテキストファイルとして出力し、画像入力用の制御プログラムにインポートして印刷を実現します。

3T3 マウス胚線維芽細胞株を 25 cm2 フラスコで培養し、標準プロトコールを使用して継代しました。ここで使用した細胞培養培地は、DMEM (31885023、Life technology) 中の 10 v/v% ウシ胎児血清 (F0804、Sigma) および 1 v/v% ペニシリン - ストレプトマイシン (P43333、Sigma) でした。分注実験では 2 × 106 細胞/ml の細胞懸濁液を使用し、生細胞染色用の作業濃度 2 μM の Calcein AM (C3099、Fisher Scientific) で細胞を染色しました。細胞の沈降を防ぐために、再懸濁後すぐに細胞インクを 1 ml luer-lok シリンジに引き込み、分注操作のためにプリンターのシリンジホルダーにロードしました。塗布動作の制御プログラムはGithubで公開しています。

補足の表 6 は、この研究で実証された構造の製造に使用されるインクと支持浴をまとめたものです。ここで使用したインクは、SE1700 (Dow)、30 w/v% および 40 w/v%、Pluronic F127 (P2443、Sigma)、事前架橋アルギン酸インク、事前架橋ヒドロキシアパタイト - アルギン酸インク、10 w/v% でした。カルボキシメチルセルロースナトリウム塩 (21902、Sigma)、10% ゼラチン (G1890、Sigma)、25% ポリアクリル酸 (450 kDa、181285、Merck Life)、コラーゲン (50201、Ibidi)、PEGDA 溶液、68 wt% メタクリレートヒドロキシプロピルセルロースおよび 3 w/v% ヒアルロン酸ナトリウム (251770250、Fisher Scientific)。一部のインクは、フルオレセインナトリウム (46960、Sigma) またはローダミン B (A13572.18、Alfa Aesar) で染色されました。さらに指定しない限り、インクは、所望の濃度の化学粉末を脱イオン水に溶解することによって調製された。メタクリレートヒドロキシプロピルセルロースインクは、以前の研究 29 で説明した方法に従って調製されました。 SE1700 インクは、塩基前駆体と触媒を重量比 10:1 で混合することによって製造されました。アルギン酸塩インクは、10 w/v% アルギン酸塩 (W201502、Sigma) 溶液を 200 mM CaCl2 (C5670、Sigma) 溶液と 10:3 の体積比で事前架橋することによって調製しました。ヒドロキシアパタイト - アルギン酸塩インクは、5 w/v% アルギン酸塩溶液に分散された 15 w/v% ヒドロキシアパタイト (21223、Sigma) で作成され、その後 10:1 の体積比で 200 mM CaCl2 溶液で事前架橋されました。ＰＥＧＤＡインクは、ＰＥＧＤＡ（Ｍｎ７００、４５５００８、ＭｅｒｃｋＬｉｆｅ）、脱イオン水、および１０ｗ／ｖ％のＩｒｇａｃｕｒｅ２９５９（ｇ／１００ｍｌエタノール、４１０８６９、Ｓｉｇｍａ）を２：８：１の体積比で混合することによって調製した。 Ecoflex インク (Smooth-On Inc.) は、文献 34 で報告されている同様の配合に従って調製されました。ここでは、パート A の Ecoflex 00-30 がパート B の Ecoflex 00-30 (1.2 w/v% Slo-jo および 1.2 w/v を含む) と混合されました。 % Thivex) を視覚化するためにアクリルの明るいオレンジ色のインクを 1 滴加えます。ここで使用した支持浴は、1.3% キサンタンガム (G1253、Sigma)、1 w/v% Carbopol ETD 2020 (Lubrizol)、4.5 w/v% ゼラチンスラリー、および 6 w/v% ヒュームドシリカ (S5130、Merck Life) でした。ミネラルオイル（330760、Merck Life）。カーボポール、ゼラチンスラリー、およびヒュームドシリカ鉱物油支持浴は、以前の研究 35、36、37 に記載されたプロトコルに従って調製されました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。 3D プリント部品のコードと CAD 設計は、Github (https://github.com/iekmanlei/Printer.HM) および Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.5353394) から入手できます。

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この研究は、欧州研究評議会 (ERC-StG、758865) および UKRI – EPSRC (EP/S009000/1) によって支援されました。 IML は、WD Armstrong Trust およびマカオ大学院奨学金基金からの財政的支援に感謝します。 CLLは、UM Macao FellowshipおよびClarendon Scholarship Fundを通じたマカオ大学からの支援に感謝します。 YS は、中国奨学会からの財政的支援を認めます。著者らは、細胞分注実験の支援についてヤン・カオ博士、3Dスキャナーの支援についてアビー・トンプソン、機械加工作業の支援についてイアン・ガニー、そしてクレメント・チュン・ラム・チャン博士とシルビア・ヴィニョリーニ教授（化学部門）に感謝する。ケンブリッジ大学）、メタクリレートヒドロキシプロピルセルロース溶液の提供に対して。

ケンブリッジ大学工学部、ケンブリッジ、英国

アイク・マン・レイ、ヤキ・シェン、キリアン・レオウ、ヤン・ヤン・シェリー・ファン

ナノサイエンスセンター、ケンブリッジ大学、ケンブリッジ、英国

Iek Man Lei、Yaqi Sheng、Yan Yan Shery Huang

マカオ大学健康科学部トランスレーショナル医学研究所、マカオ、中国

チョン・ロク・レイ

オックスフォード大学コンピューターサイエンス学部、オックスフォード、英国

チョン・ロク・レイ

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著者全員が実験を考案し、原稿をレビューしました。

ヤン・ヤン・シェリー・ファンへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Lei、IM、Sheng、Y.、Lei、CL 他。軟質材料用のハッキング可能な多機能モジュール式押出 3D プリンター。 Sci Rep 12、12294 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16008-6

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受信日: 2022 年 3 月 15 日

受理日: 2022 年 7 月 4 日

公開日: 2022 年 7 月 19 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16008-6

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科学レポート (2022)

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