斯坦福大学开发出低成本开源生物打印机，实现多材料和高通量DIW

导读：直接墨水书写 (DIW) 是一种主要用于生物打印的材料挤出 (MEX) 3D 打印技术，已成为用途最广泛的 3D 打印技术之一，特别是对于软材料和生物材料。与立体光刻 (SLA) 或喷墨打印不同，DIW 可适应各种材料粘度和化学性质，在组织工程、机器人技术和材料科学中具有不可估量的价值。尽管具有巨大潜力，但现有的 DIW 系统价格过高，价格从 10,000 美元到 200,000 美元不等。这些系统通常是闭源的，限制了研究人员修改硬件或软件以适应特定应用的能力。

2025年1月9日，南极熊获悉，为了应对上述挑战，斯坦福大学团队开发的 Printess 生物打印机提供了一种低成本的开源解决方案。这款售价 250 美元的 DIW 打印机能够实现多材料和高通量打印，具有非凡的精度、可访问性和多功能性，在研究和教育领域的广泛应用铺平了道路。

DIW 背后的技术

DIW 是一种 3D 打印方法，其中材料以受控方式逐层沉积。与 SLA 或熔融沉积成型 (FDM) 不同，DIW 允许使用粘弹性和生物墨水，这为生物打印、储能和结构工程等领域的应用开辟了机会。DIW 能够处理从水凝胶到弹性体等各种材料，已成为制造软机器人、轻质晶格和仿生组织的必备技术。然而，用于生物打印的传统 DIW 打印机价格昂贵，并且依赖专有生态系统，限制了其灵活性和许多用户的可访问性。

商业 DIW 系统存在很大的进入门槛，尤其是对于研究人员和教育工作者而言。它们成本高昂，小型实验室或教育机构无法使用。此外，这些系统通常建立在封闭平台上，限制用户修改硬件或试验非常规材料。即使是开源解决方案也常常依赖于经过修改的现成组件，这增加了成本和复杂性，同时降低了适应性。这些限制凸显了对自下而上、可定制的设计的需求，这种设计既经济高效又用途广泛。

Printess介绍

Printess 是一个开源 DIW 平台，旨在让先进的 3D 打印技术普及化。Printess 由六个线性执行器、一个微控制器以及价格低廉的 3D 打印和激光切割部件构成，结构紧凑、重量轻且易于组装。其运动精度为 10 µm，支持先进的 DIW 模式，例如多材料梯度、嵌入式打印和主动混合。与商业替代品不同，Printess 允许用户根据自己的特定需求定制其构建体积、打印头和材料功能。所有设计文件、组装说明和固件均可在线免费获取，从而营造出一种协作和创新的环境。

Printess 底盘由激光切割的丙烯酸板和 3D 打印支架构成，可快速组装和轻松定制。六个 NEMA 11 线性致动器驱动其运动，可精确控制 x、y 和 z 轴以及两个注射泵挤出机的挤出。80 毫米 x 80 毫米 x 80 毫米的构建尺寸针对小规模、高精度打印进行了优化。该打印机由运行修改版 Marlin 固件的 RepRap RUMBA+ 板供电，确保与标准切片软件兼容。可选功能（例如加热打印床和触摸屏控制）进一步增强了多功能性。模块化设计确保打印机可以在一小时内组装完毕，新手用户和专家都可以使用它。

生物打印@斯坦福

Printess 项目由 MarkSkylar-Scott 领导的团队实施，在 making@stanford 的支持下，率先开展了 BIOE 261：3D 生物打印实验室，这是一门综合课程，吸引了 13 名学生，包括本科生、硕士生和博士生。BIOE 261 课程包括理论讲座和实践研讨会，为期十周，前五周专门用于沉浸式动手学习，随后进入项目阶段，学生以三人为一组合作开展研究项目。

在整个课程中，Skylar-Scott 举办了六场研讨会，旨在让学生掌握 3D 生物打印的基本技能和知识。这些研讨会提供了各个方面的分步指导，包括从套件中组装和配置 3D 生物打印机、生成用于多材料打印的 G 代码以及执行嵌入式 3D 生物打印以制造三叶心脏瓣膜等复杂结构。此外，学生们还熟练掌握了培养人体细胞、制备生物墨水和使用染色技术评估打印组织中的细胞行为。值得注意的是，他们还通过为多种应用（例如多材料打印和核壳喷嘴设计）创建自定义喷嘴，深入研究了 3D 打印的复杂性。

这些研讨会的总体学习目标是多方面的。学生不仅要掌握多材料 3D 生物打印的复杂性，还要接受生物墨水配方、细胞培养技术和显微镜分析方面的基础指导。此外，他们还磨练了 3D CAD 设计和打印方法的技能，深入了解了 3D 生物打印技术的各种方法和原理。

课程进入项目阶段，学生们分成五组，每组由两到三名成员组成。他们开展的项目范围广泛，从开发用于自动喷嘴对准的电子传感器到设计和制造低成本的 3D 打印螺旋分配器。值得注意的是，一些团队涉足前沿研究，例如 3D 打印人类心脏细胞以构建带瓣膜的生物泵，展示了 BIOE 261：3D 生物打印实验室所培育的创新潜力。

打印性能及应用

尽管成本低廉，Printess 仍具有出色的性能。精密测试表明，其重复性为 ±5 µm，且间隙误差最小。挤出系统支持各种注射器尺寸，可打印各种粘度的材料。该打印机的多材料功能包括主动混合，即实时组合两种或多种材料以创建渐变或 Janus 细丝。它还支持多材料多喷嘴打印，可实现复杂设计的高通量制造。这些功能使Printess 适用于组织工程等应用，在这些应用中，精确控制材料成分和结构至关重要。

Printess 已在多个领域展现了其实用性。在生物打印领域，它已用于创建具有高活力的载细胞结构，为组织工程研究提供了一种低成本的替代方案。它能够打印光固化水凝胶和热固化弹性体，这扩大了它在储能和机器人领域的适用性。在教育环境中，Printess 是一种有价值的教学工具，让学生能够探索先进的打印技术，而不受商业系统财务障碍的限制。它的模块化设计和开源特性使其成为研讨会和协作项目的理想选择，可以促进动手学习和创新。

集成到现有框架中

Printess 与广泛使用的软件和硬件平台无缝集成。它与 Windows 和 macOS 操作系统兼容，并支持 Pronterface 等图形界面，便于操作。使用广受认可的开源固件可确保用户能够根据自己的特定需求调整系统。这种灵活性对于从事尖端项目的研究人员来说至关重要，因为它允许他们修改打印机以适应新颖的应用或材料。

通过降低先进 3D 打印的入门成本，Printess将彻底改变组织工程、软机器人和材料科学等领域。它的开源设计使研究人员能够探索创新的打印模式，例如嵌入式主动混合和高通量多喷嘴阵列。从构建体积到挤出系统，打印机的每个方面都可以自定义，这确保了它能够随着 DIW 技术的进步而发展。