美国莱斯大学大学生物工程研究者们修改了一台商用等级的二氧化碳激光切割机，以此制作了一台可利用塑胶粉末和生物材料打印出复杂的 3D 物件的开源选择性激光烧结（SLS 为 selective laser sintering，OpenSLS）平台。此系统可以让研究人员能够利用符合自己需求的特殊材料，而且建构系统所耗费的资金非常低，不到 1 万美元，比业界一般所耗费的资金（40 万至 100 万美元）低了至少 40 倍。而这项设备的设计以及运作表现论文公开发公布于 PLOS ONE。
SLS 技术其实早已存在 20 多年，是 3D 打印技术的一种，能够制作含有分叉或悬吊突出结构的物件。此项研究的共同作者，专长为将 3D 打印技术运用于组织工程以及再生医学的莱斯大学生物工程助理教授 Jordan Miller 表示：“SLS 技术可以完美的创造我们工作所需要的复杂形状，譬如血管网络、肝脏或其他器官。”
传统的 3D 打印是由针孔喷挤出融化的塑胶描绘出 2D 的平面图形之后再一层一层叠成 3D 构造。而 OpenSLS 系统和传统的 3D 打印的不同在于，SLS 激光直接打在压平坦的塑胶粉末基上，在激光焦点上的粉末加热之后融化烧结形成固体黏着在一起。利用这样的方式，改变激光的位置，就能制造出单层的固体结构。
Miller 形容这样的过程有点像在做法式烤布蕾，厨师会撒一层糖粉，然后用火把加热使它们黏合在一起形成硬的一层外皮；而在 SLS 的情况下，糖粉换成粉状的生物材料，热源换成了激光光线。
当制作完成一层的构造之后，再放上一层新的材料粉末，同样以激光的方式处理，重复几次便能制造出完整的结构。因为 SLS 在制作的过程中，半成品一直包覆在材料粉末之中被支撑著，因此能够做出其他 3D 打印无法做到的一些特别复杂的结构。
一般来说，业界所使用的 SLS 机器并不会让使用者运用自己的材料来制造物件，这使得再生医学及组织工程相关的研究者备感限制，因为他们的研究特别需要运用自己所需的特殊材料方能进行。但现在建立了这套 OpenSLS 系统，情况将会大大不同。本研究共同作者 Ian Kinstlinger 是 Miller 的研究团队中的毕业生，他曾经改良许多 OpenSLS 在硬件及软件上的设计，他表示，当研究者们能够使用自行设计的 SLS 设备，就代表他们投入再生医学相关研究的生物材料种类，不会再受到企业的限制。研究团队已经证明他们所改良的系统运用材料的多样性，可以使用的材料包含在高解析 3D 打印十分常见的尼龙粉末，以及在研究组织工程骨制造模板常用的聚己内酯（polycaprolactone，PCL）。
▲ 左为 Ian Kinstlinger，右为 Jordan Miller。 （Source：m.phys.org）
Kinstlinger 表示：“我们所改良的这套系统价格低，是大多数的实验室都能够负担的价格，我们的初衷是让其他人也能够以很简单的方式重复我们的工作，所以我们所做的硬件设计及软件改良都透过 Github 公开分享，所以其他人都能以低价格自行改良 OpenSLS 系统，并且标准化设备和效能。”
Miller 和研究团队起初在 2013 年时，认为业界所使用的二氧化碳激光切割机是最适合用于改造成低价通用的选择性烧结机的选择。这样的激光切割机原先通常被用于制作珠宝、玩具、丙烯酸树脂塑像等商品，研究团队却因为它的激光光波长正好就在 10 微米左右，而且有适合的硬件搭配可以精准的控制激光强度及平面位置而看中了它，选择以这种激光切割机进行改造。
在 2013 年夏天，Miller 主持了一场 4 周的速成班（Advanced Manufacturing Research Institute，AMRI），为了让其他人也能了解他们的硬件原型。这项活动的参与者 Andreas Bastian 是一位艺术家兼工程师，他又更进一步设计出完整的包含第 3 个方位 Z 轴，而且能够控制操作粉末的系统。Miller 和 Bastian 利用了原先激光切割机的功能，为这个能够操作粉末的系统制作了一些部分零件，将这项设计加入系统内让功能更加完善。
Miller 表示，他们在升级系统的过程中所需要的大多数丙烯酸零件，都是利用同一台激光切割机所制作，建立 OpenSLS 系统时的花费大约为 2,000 美元，在原先已经有的激光切割机上加上其他元件并校正，也只需要几天时间就能完成。
在 2013 年 Bastian 离开莱斯大学时，研究团队已经有了完整的概念，但是要距离 OpenSLS 系统能够真正顺利运用在生物工程之上，他们还有许多工作尚未完成，而这些工作最后是由 Ian 以及团队中其他人完成的。
Miller 表示，Kinstlinger 利用可以运用在人类医学移植的生物相容塑胶（PCL）所做的测试，对于整个计划来说非常重要。生物体内的系统在 3D 结构上是非常复杂的，而且在不同的需求情况下，会有不同的形状及外观，譬如在许多部位需要有大面积的表面来构成，就会以粗糙的表面来达成这样的需求，但在其他地方只需要平滑表面就可以了。也就是说，研究团队所制作的物件表面必须要符合当下的需求，所以除了形状的差异之外，还必须控制表面的型态。
为了使得打印机所制造 PCL 成品的粗糙表面也能够变得平滑，Kinstlinger 试验了各种方法，最后终于发现将粗糙的部分以蒸汽溶液处理 5 分钟左右，粗糙的表面就会因为表面张力的缘故而变得平滑。Kinstlinger 接着测试了一种可以分化成各种不同细胞的干细胞——人类骨髓间质细胞，发现被蒸气变得平滑的 PCL 结构和天然的骨头构造有着同样的特性，能够做为组织工程的模板。
实验结果发现干细胞的确能够黏附在 PCL 模板表面并活下来，分化出骨质谱系的其他细胞，并且在整个支架上累积钙质。这样的结果显示了 OpenSLS 系统对于未来研究能够有所运用。Miller 表示：“我们的成果体现了 OpenSLS 能够为提供科学界一个平台，帮助利用各种塑胶、生物材料合成物件或进行激光烧结相关的研究。”
- Bioengineers make open-source laser sintering printer for biomaterials fabrication
（首图来源：m.phys.org）
