Transformando sua impressora 3D em uma Bioimpressora 3D

Uma bioimpressora custa no mercado um valor expressivo, a partir de R$25.000,00. Este valor passa a ser inacessível para a maioria dos laboratórios. Mas como a maioria das impressoras 3D tem origem em código aberto, você pode com certa facilidade transformar uma impressora 3D convencional em uma bioimpressora.

O que é uma Bioimpressora 3D?

Uma bioimpressora 3D é uma máquina que pode criar objetos tridimensionais a partir de material biológico, como células vivas. Elas podem ser usadas para criar tecidos vivos, órgãos e até mesmo organismos inteiros.

As bioimpressoras 3D são capazes de criar esses objetos usando camadas finas de material biológico, assim como uma impressora 3D convencional cria objetos usando camadas finas de plástico ou outro material. As bioimpressoras 3D têm o potencial de revolucionar a medicina, pois poderão ser usadas para criar tecidos e órgãos personalizados para pacientes, o que pode ajudar a tratar doenças graves e salvar vidas.

Bioimpressoras 3D mais conhecidas

Existem várias empresas e instituições que desenvolvem bioimpressoras 3D. Algumas das mais conhecidas são:

• Organovo: Esta empresa foi uma das primeiras a desenvolver uma bioimpressora 3D comercialmente disponível. A sua bioimpressora, chamada NovoGen MMX, pode ser usada para criar tecidos vivos de músculo, fígado e vasos sanguíneos.

• BioBots: Esta empresa desenvolveu uma bioimpressora 3D chamada BioBot 1, que pode ser usada para criar tecidos vivos e para pesquisas em biologia celular.

• INKREDIBLE: Esta empresa desenvolveu uma bioimpressora 3D chamada INKREDIBLE, que pode ser usada para criar tecidos vivos de vários tipos, incluindo pele, músculo e cartilagem.

• 3D Bioprinting Solutions: Esta empresa russa desenvolveu uma bioimpressora 3D chamada Fabion, que pode ser usada para criar tecidos vivos de músculo, fígado e outros órgãos.

Essas são algumas das bioimpressoras 3D mais conhecidas, mas existem muitas outras empresas e instituições trabalhando nesse campo também.

Bioimpressora 3D Aberta

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. E estes equipamentos ainda são caros. Neste artigo vamos te dar algumas orientações sobre como converter uma impressora de baixo custo, como uma Ender 3D, usando uma bomba de seringa Replistruder 4 e o Duet3D Duet 2 WiFi por um custo muito baixo (pode ser comprado no Aliexpress).

Poderemos observar que a precisão do deslocamento da bioimpressora é melhor que 35 µm em todos os três eixos.

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 engenharia.

A bioimpressão 3D tem o potencial de trazer melhorias semelhantes às tecnologias de resina líquida, usando algumas dessas técnicas, para o campo da engenharia de tecidos, construindo construções celularizadas, tecidos e órgãos potencialmente funcionais. Na bioimpressão 3D, diferente dos polímeros, metais ou cerâmicas, a biotinta que é impressa. Usamos o temo biotinta quando nos referimos a pastas celulares de alta densidade, hidrogéis sintéticos e naturais, hidrogéis carregados de células, tintas de biomateriais e é claro, suas combinações.

O alto custo das máquinas para bioimpressão é tão alto quanto eram as impressoras 3D no final dos anos 2000. Assim que ocorreu a expiração de patentes nacionais e internacionais para impressoras FDM, ocorreu diversos eventos de aceleração de fabricação e popularização desta tecnologia. Com isto, começaram também a conversão destas impressoras de baixo custo em bioimpressoras capazes de produzir resultados de alta qualidade por uma fração do que as alternativas comerciais.

Impressoras de código aberto como MakerBot Replicator, LulzBot Mini 2, PrintrBot Simple Metal, FlashForge Creator Pro, MakerGear M2 e outras podem ser convertidas em bioimpressoras 3D de alto desempenho. Esta facilidade nos permite aproveitar o sistema de movimento de 3 eixos de alta qualidade, precisando apenas adicionar os componentes, como a extrusora de bomba de seringa, especificamente necessária para células de bioimpressão e biotintas líquidas. Veja que é um processo similar ao de impressão de comidas.

Além do mais, o processo de conversão usa o mesmo motor de passo da extrusora de filamento original da impressora 3D de plásticos para acionar a extrusora de bomba de seringa da bioimpressora. É um processo de adaptação relativamente simples e eu já tive acesso a eles em 2015 com a aquisição das primeiras Paste Extruder.

Substituímos a placa de circuito de controle de movimento proprietária da Ender 3 pela Duet 2 WiFi, uma placa de controle de movimento de código aberto, altamente adaptável, fácil de usar e muito bem documentada da Duet3D. Também equipamos a impressora com nossa bomba de seringa de código aberto Replistruder 4. O resultado final é uma bioimpressora 3D de baixo custo com desempenho igual ou superior às alternativas comerciais e com um alto grau de personalização de hardware e software, essencial para imprimir novas biotintas e desenvolver aplicativos avançados.

Convertendo a Ender 3 em uma Bioimpressora

Ao converter uma impressora 3D de plástico em uma bioimpressora seguimos os seguintes passos:

1. A eletrônica e o sistema de controle da impressora de plástico precisam ser adaptados à bioimpressão por meio de modificação ou precisam ser substituídos por uma alternativa. A placa de circuito de controle de movimento proprietária da Creality Ender 3 foi substituída pela placa de circuito de controle de movimento Duet 2 WiFi de código aberto. Isso é feito para melhorar o desempenho do controle de movimento, fornecer acesso Wi-Fi e facilitar a personalização rápida do firmware por meio da interface baseada na Web do Duet sem a necessidade de usar software adicional.
2. Em seguida, a extrusora termoplástica que acompanha a impressora é substituída pela Replistruder 4, uma extrusora de bomba de seringa de alto desempenho e código aberto. A maioria das peças do Replistruder 4 é prontamente impressa em 3D em plástico e montada usando hardware comumente disponível. Um novo carrinho foi projetado para caber nos componentes de movimentos lineares existentes da impressora e fornecer um ponto de montagem para o Replistruder 4. Este carro do eixo X tem bolsos para os rolamentos já montados nos trilhos lineares do eixo X, bem como canais para tração e retenção da correia do eixo X que impulsiona o movimento ao longo do eixo.

A placa Duet 2 WiFi oferece várias vantagens importantes sobre as placas de circuito de controle de movimento encontradas na placa da Ender 3 e em outras impressoras 3D de mesa de baixo custo. Primeiro, a interface da web baseada em Wi-Fi do Duet permite acesso fácil no navegador ao movimento da impressora, armazenamento e transferência de arquivos, definições de configuração e atualizações de firmware. Em segundo lugar, o Duet 2 adiciona muitas melhorias avançadas de controle de movimento, incluindo um micro-controlador de 32 bits, controladores de passo Trinamic TMC2260 de alto desempenho, controle de movimento aprimorado com até 256 × microstepping para 5 eixos, saída de alta corrente do motor de 2,8 A para gerar maior potência, um leitor de cartão microSD integrado e muito mais.

Desempenho mecânico da Bioimpressora 3D

Após a conversão mecânica e eletrônica, é preciso fazer as medições de deslocamentos nos 3 eixos, X, Y e Z para determinar o volume de construção da bioimpressora 3D. Para um sistema de movimento acionado por motor de passo, como esta bioimpressora 3D e a maioria das impressoras 3D, o parâmetro de controle mais importante que afeta o desempenho são os passos por mm de calibração para cada um dos três eixos. Esse número determina quantos pulsos, ou etapas, devem ser enviados aos motores de passo que acionam cada eixo para movê-los com precisão de um milímetro cada.

Calculando os passos por milímetros

Para os eixos x e y, que são acionados por correia, a fórmula para isso é passos/mm = (passos/rotação × micro-passos)/(distância entre os dentes da polia × quantidade de dentes).

Para verificar se os valores nominais de passos/mm estavam corretos, quantificamos o erro posicional de nosso sistema ao longo de cada eixo próximo ao centro de deslocamento com precisão de 2 µm.

Conclusão

A bioimpressora 3D que desenvolvemos aqui é o resultado de vários artigos e modelos de impressoras que foram modificadas ao longo dos anos. Ela é baseada no “3D Bioprinting Open-Source Workshop”. É possível trabalhar e desenvolver projetos com biotintas usando impressoras com poucos recursos.