美國(guó)萊斯大學(xué)大學(xué)生物工程研究者們修改了一臺(tái)商用等級(jí)的二氧化碳激光切割機(jī)，以此制作了一臺(tái)可利用塑膠粉末和生物材料打印出復(fù)雜的 3D 物件的開(kāi)源選擇性激光燒結(jié)（SLS 為 selective laser sintering，OpenSLS）平臺(tái)。此系統(tǒng)可以讓研究人員能夠利用符合自己需求的特殊材料，而且建構(gòu)系統(tǒng)所耗費(fèi)的資金非常低，不到 1 萬(wàn)美元，比業(yè)界一般所耗費(fèi)的資金（40 萬(wàn)至 100 萬(wàn)美元）低了至少 40 倍。而這項(xiàng)設(shè)備的設(shè)計(jì)以及運(yùn)作表現(xiàn)論文公開(kāi)發(fā)公布于 PLOS ONE。

　　SLS 技術(shù)其實(shí)早已存在 20 多年，是 3D 打印技術(shù)的一種，能夠制作含有分叉或懸吊突出結(jié)構(gòu)的物件。此項(xiàng)研究的共同作者，專長(zhǎng)為將 3D 打印技術(shù)運(yùn)用于組織工程以及再生醫(yī)學(xué)的萊斯大學(xué)生物工程助理教授 Jordan Miller 表示：“SLS 技術(shù)可以完美的創(chuàng)造我們工作所需要的復(fù)雜形狀，譬如血管網(wǎng)絡(luò)、肝臟或其他器官。”

　　傳統(tǒng)的 3D 打印是由針孔噴擠出融化的塑膠描繪出 2D 的平面圖形之后再一層一層疊成 3D 構(gòu)造。而 OpenSLS 系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 3D 打印的不同在于，SLS 激光直接打在壓平坦的塑膠粉末基上，在激光焦點(diǎn)上的粉末加熱之后融化燒結(jié)形成固體黏著在一起。利用這樣的方式，改變激光的位置，就能制造出單層的固體結(jié)構(gòu)。

　　Miller 形容這樣的過(guò)程有點(diǎn)像在做法式烤布蕾，廚師會(huì)撒一層糖粉，然后用火把加熱使它們黏合在一起形成硬的一層外皮；而在 SLS 的情況下，糖粉換成粉狀的生物材料，熱源換成了激光光線。

　　當(dāng)制作完成一層的構(gòu)造之后，再放上一層新的材料粉末，同樣以激光的方式處理，重復(fù)幾次便能制造出完整的結(jié)構(gòu)。因?yàn)?SLS 在制作的過(guò)程中，半成品一直包覆在材料粉末之中被支撐著，因此能夠做出其他 3D 打印無(wú)法做到的一些特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

　　一般來(lái)說(shuō)，業(yè)界所使用的 SLS 機(jī)器并不會(huì)讓使用者運(yùn)用自己的材料來(lái)制造物件，這使得再生醫(yī)學(xué)及組織工程相關(guān)的研究者備感限制，因?yàn)樗麄兊难芯刻貏e需要運(yùn)用自己所需的特殊材料方能進(jìn)行。但現(xiàn)在建立了這套 OpenSLS 系統(tǒng)，情況將會(huì)大大不同。本研究共同作者 Ian Kinstlinger 是 Miller 的研究團(tuán)隊(duì)中的畢業(yè)生，他曾經(jīng)改良許多 OpenSLS 在硬件及軟件上的設(shè)計(jì)，他表示，當(dāng)研究者們能夠使用自行設(shè)計(jì)的 SLS 設(shè)備，就代表他們投入再生醫(yī)學(xué)相關(guān)研究的生物材料種類，不會(huì)再受到企業(yè)的限制。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明他們所改良的系統(tǒng)運(yùn)用材料的多樣性，可以使用的材料包含在高解析 3D 打印十分常見(jiàn)的尼龍粉末，以及在研究組織工程骨制造模板常用的聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）。

　　▲ 左為 Ian Kinstlinger，右為 Jordan Miller。 （Source：m.phys.org）

　　Kinstlinger 表示：“我們所改良的這套系統(tǒng)價(jià)格低，是大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)室都能夠負(fù)擔(dān)的價(jià)格，我們的初衷是讓其他人也能夠以很簡(jiǎn)單的方式重復(fù)我們的工作，所以我們所做的硬件設(shè)計(jì)及軟件改良都透過(guò) Github 公開(kāi)分享，所以其他人都能以低價(jià)格自行改良 OpenSLS 系統(tǒng)，并且標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備和效能。”

　　Miller 和研究團(tuán)隊(duì)起初在 2013 年時(shí)，認(rèn)為業(yè)界所使用的二氧化碳激光切割機(jī)是最適合用于改造成低價(jià)通用的選擇性燒結(jié)機(jī)的選擇。這樣的激光切割機(jī)原先通常被用于制作珠寶、玩具、丙烯酸樹(shù)脂塑像等商品，研究團(tuán)隊(duì)卻因?yàn)樗募す夤獠ㄩL(zhǎng)正好就在 10 微米左右，而且有適合的硬件搭配可以精準(zhǔn)的控制激光強(qiáng)度及平面位置而看中了它，選擇以這種激光切割機(jī)進(jìn)行改造。

　　在 2013 年夏天，Miller 主持了一場(chǎng) 4 周的速成班（Advanced Manufacturing Research Institute，AMRI），為了讓其他人也能了解他們的硬件原型。這項(xiàng)活動(dòng)的參與者 Andreas Bastian 是一位藝術(shù)家兼工程師，他又更進(jìn)一步設(shè)計(jì)出完整的包含第 3 個(gè)方位 Z 軸，而且能夠控制操作粉末的系統(tǒng)。Miller 和 Bastian 利用了原先激光切割機(jī)的功能，為這個(gè)能夠操作粉末的系統(tǒng)制作了一些部分零件，將這項(xiàng)設(shè)計(jì)加入系統(tǒng)內(nèi)讓功能更加完善。

　　Miller 表示，他們?cè)谏?jí)系統(tǒng)的過(guò)程中所需要的大多數(shù)丙烯酸零件，都是利用同一臺(tái)激光切割機(jī)所制作，建立 OpenSLS 系統(tǒng)時(shí)的花費(fèi)大約為 2,000 美元，在原先已經(jīng)有的激光切割機(jī)上加上其他元件并校正，也只需要幾天時(shí)間就能完成。

　　在 2013 年 Bastian 離開(kāi)萊斯大學(xué)時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了完整的概念，但是要距離 OpenSLS 系統(tǒng)能夠真正順利運(yùn)用在生物工程之上，他們還有許多工作尚未完成，而這些工作最后是由 Ian 以及團(tuán)隊(duì)中其他人完成的。

　　Miller 表示，Kinstlinger 利用可以運(yùn)用在人類醫(yī)學(xué)移植的生物相容塑膠（PCL）所做的測(cè)試，對(duì)于整個(gè)計(jì)劃來(lái)說(shuō)非常重要。生物體內(nèi)的系統(tǒng)在 3D 結(jié)構(gòu)上是非常復(fù)雜的，而且在不同的需求情況下，會(huì)有不同的形狀及外觀，譬如在許多部位需要有大面積的表面來(lái)構(gòu)成，就會(huì)以粗糙的表面來(lái)達(dá)成這樣的需求，但在其他地方只需要平滑表面就可以了。也就是說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)所制作的物件表面必須要符合當(dāng)下的需求，所以除了形狀的差異之外，還必須控制表面的型態(tài)。

　　為了使得打印機(jī)所制造 PCL 成品的粗糙表面也能夠變得平滑，Kinstlinger 試驗(yàn)了各種方法，最后終于發(fā)現(xiàn)將粗糙的部分以蒸汽溶液處理 5 分鐘左右，粗糙的表面就會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩Φ木壒识兊闷交?。Kinstlinger 接著測(cè)試了一種可以分化成各種不同細(xì)胞的干細(xì)胞——人類骨髓間質(zhì)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)被蒸氣變得平滑的 PCL 結(jié)構(gòu)和天然的骨頭構(gòu)造有著同樣的特性，能夠做為組織工程的模板。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞的確能夠黏附在 PCL 模板表面并活下來(lái)，分化出骨質(zhì)譜系的其他細(xì)胞，并且在整個(gè)支架上累積鈣質(zhì)。這樣的結(jié)果顯示了 OpenSLS 系統(tǒng)對(duì)于未來(lái)研究能夠有所運(yùn)用。Miller 表示：“我們的成果體現(xiàn)了 OpenSLS 能夠?yàn)樘峁┛茖W(xué)界一個(gè)平臺(tái)，幫助利用各種塑膠、生物材料合成物件或進(jìn)行激光燒結(jié)相關(guān)的研究。”