美國萊斯大學大學生物工程研究者們修改了一臺商用等級的二氧化碳激光切割機，以此制作了一臺可利用塑膠粉末和生物材料打印出復(fù)雜的 3D 物件的開源選擇性激光燒結(jié)（SLS 為 selective laser sintering，OpenSLS）平臺。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)所耗費的資金非常低，不到 1 萬美元，比業(yè)界一般所耗費的資金（40 萬至 100 萬美元）低了至少 40 倍。而這項設(shè)備的設(shè)計以及運作表現(xiàn)論文公開發(fā)公布于 PLOS ONE。

　　SLS 技術(shù)其實早已存在 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。此項研究的共同作者，專長為將 3D 打印技術(shù)運用于組織工程以及再生醫(yī)學的萊斯大學生物工程助理教授 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 形容這樣的過程有點像在做法式烤布蕾，廚師會撒一層糖粉，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)。因為 SLS 在制作的過程中，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 打印無法做到的一些特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

　　一般來說，業(yè)界所使用的 SLS 機器并不會讓使用者運用自己的材料來制造物件，這使得再生醫(yī)學及組織工程相關(guān)的研究者備感限制，因為他們的研究特別需要運用自己所需的特殊材料方能進行。但現(xiàn)在建立了這套 OpenSLS 系統(tǒng)，情況將會大大不同。本研究共同作者 Ian Kinstlinger 是 Miller 的研究團隊中的畢業(yè)生，他曾經(jīng)改良許多 OpenSLS 在硬件及軟件上的設(shè)計，他表示，當研究者們能夠使用自行設(shè)計的 SLS 設(shè)備，就代表他們投入再生醫(yī)學相關(guān)研究的生物材料種類，不會再受到企業(yè)的限制。研究團隊已經(jīng)證明他們所改良的系統(tǒng)運用材料的多樣性，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)價格低，是大多數(shù)的實驗室都能夠負擔的價格，我們的初衷是讓其他人也能夠以很簡單的方式重復(fù)我們的工作，所以我們所做的硬件設(shè)計及軟件改良都透過 Github 公開分享，所以其他人都能以低價格自行改良 OpenSLS 系統(tǒng)，并且標準化設(shè)備和效能。”

　　Miller 和研究團隊起初在 2013 年時，認為業(yè)界所使用的二氧化碳激光切割機是最適合用于改造成低價通用的選擇性燒結(jié)機的選擇。這樣的激光切割機原先通常被用于制作珠寶、玩具、丙烯酸樹脂塑像等商品，研究團隊卻因為它的激光光波長正好就在 10 微米左右，而且有適合的硬件搭配可以精準的控制激光強度及平面位置而看中了它，選擇以這種激光切割機進行改造。

　　在 2013 年夏天，Miller 主持了一場 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。這項活動的參與者 Andreas Bastian 是一位藝術(shù)家兼工程師，他又更進一步設(shè)計出完整的包含第 3 個方位 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的功能，為這個能夠操作粉末的系統(tǒng)制作了一些部分零件，將這項設(shè)計加入系統(tǒng)內(nèi)讓功能更加完善。

　　Miller 表示，他們在升級系統(tǒng)的過程中所需要的大多數(shù)丙烯酸零件，都是利用同一臺激光切割機所制作，建立 OpenSLS 系統(tǒng)時的花費大約為 2,000 美元，在原先已經(jīng)有的激光切割機上加上其他元件并校正，也只需要幾天時間就能完成。

　　在 2013 年 Bastian 離開萊斯大學時，研究團隊已經(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 以及團隊中其他人完成的。

　　Miller 表示，Kinstlinger 利用可以運用在人類醫(yī)學移植的生物相容塑膠（PCL）所做的測試，對于整個計劃來說非常重要。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構(gòu)成，就會以粗糙的表面來達成這樣的需求，但在其他地方只需要平滑表面就可以了。也就是說，研究團隊所制作的物件表面必須要符合當下的需求，所以除了形狀的差異之外，還必須控制表面的型態(tài)。

　　為了使得打印機所制造 PCL 成品的粗糙表面也能夠變得平滑，Kinstlinger 試驗了各種方法，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，粗糙的表面就會因為表面張力的緣故而變得平滑。Kinstlinger 接著測試了一種可以分化成各種不同細胞的干細胞——人類骨髓間質(zhì)細胞，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。

　　實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)干細胞的確能夠黏附在 PCL 模板表面并活下來，分化出骨質(zhì)譜系的其他細胞，并且在整個支架上累積鈣質(zhì)。這樣的結(jié)果顯示了 OpenSLS 系統(tǒng)對于未來研究能夠有所運用。Miller 表示：“我們的成果體現(xiàn)了 OpenSLS 能夠為提供科學界一個平臺，幫助利用各種塑膠、生物材料合成物件或進行激光燒結(jié)相關(guān)的研究。”