Name: 3d printing of biomolecular models for research and pedagogy
Uploaded: 2017-03-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 17 s
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The authors are grateful for the support of Deis3D, the Brandeis 3D Printing Club, and members of Brandeis Library/LTS/Makerlab. This work was funded in part by a grant awarded to Pomeranz Krummel by the NSF, Award No. 1157892; an ESIT grant of the BMBF, awarded to the University of T&#252;bingen; and US Federal funds from the National Institutes of Health, Department of Health and Human Services, under Contract No. GS35F0373X. Molecular graphics and analyses were performed with the UCSF Chimera package. Chimera was developed by the Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics at the University of California, San Francisco (supported by NIGMS P41-GM103311).

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The authors have nothing to disclose.

생체 분자의 실제 3D 모델 시각화의 일반적인 컴퓨터 기반 방법에 강력한 보완을 제공합니다. 실제 3D 표현의 추가 속성은 생체 분자 구조의 직관적 인 이해에 기여한다. 생체 분자의 실제 3D 모델의 구조는 인간 감각 잘 발달 모드 활용 매체의 사용을 통해 학습을 용이하게 할 수있다. 3D 모델은 연구원에 보조제로서뿐만 제공하지만, 교육적 활동을 용이하게하기 위해 사용될 수 있고, 학습이 13, 14, 15이 결과의 달성을 높일 수있다. 폴리펩티드 자석 (16)의 모델에 도시 된 바와 같이, 조립과 분해를 허용하도록 프라 모델에 추가 될 수있다. 또한, 3 차원 프린트 된 물체를 microfl 할뿐만 아니라 실험실 장비 (17)의 제조에 모두 연구에 사용될 수있다셀 (18) 및 결정 (19) 또는 뉴런 (20)의 모델 uidic 장치. 물리 모델의 조작은 새로운 통찰력을 자극 할 수 공동 토론을 촉진하는 역할을 할 수 있습니다. 프린터의 비용에서 3D 프린팅 기술과 감소의 최근 발전은 개별 사용자에 의해 생체 분자의 복잡한 물리적 3D 모델을 만들 수 있습니다. FFF 프린팅 기술은 일반적인 기타 방법보다 저렴하지만, 이는 많은 제한을 야기. 3 차원 프린팅 공정은 시간 소모적이며, 기계적 고장이 발생 않는다. FFF 프린터는 보통 컬러 정보 표시 제한 부 당 하나의 재료를 인쇄 할 수있다. FFF 프린터로 만든 모델의 해상도는 레이어 당 100 μm의 주위에, 낮습니다. 우리는 독자 이러한 제한 작동하고 관심을 자신의 프린터와 생체 분자 (들)에 대한 접근 방식을 개발하기를 권장합니다. 우리는 proce을 제시했다사용자의 요구 SSES는 정확한 정보 및 인쇄 인 관심을 자신의 생체 분자의 사용자 지정 3D 표현을 개발. 어떤 새로운 기술과 마찬가지로, 그것의 사용시 극복해야한다 &quot;성장통은&quot;종종있다. 우리는 문제가 3D 인쇄 생체 분자 (보충 6)의 공정에서 발생할 수있는 여러 가지 실시 예를 제공한다. 마지막으로,이 문서를 통해, 그것은 생체 분자의 3 차원 인쇄에 종사하는 사용자 커뮤니티의 성장에 기여하는 우리의 목표입니다. 중요한 것은, NIH는 3D 모델을 공유 할 수있는 대중에 대한 데이터베이스를 구축하고 방법들을 열을 인쇄하는 데 사용. 우리는 강력하게이 독특한 자원 (국립 보건원 3D 인쇄 Exchange를 3D 모델 인쇄 및 배경 정보를 업로드하는 방법에 대한 지침은 부록 7 참조)에 참여 바랍니다.

기능 및 생리 활성 물질의 활성의 완전한 이해는 3 차원 구조의 결정을 필요로한다. 이는 통상적으로 X 선 결정학, NMR, 또는 전자 현미경을 사용하여 달성된다. 3 차원 구조가 1을 나타내는 구조를 닮은 모델과 정확한 또는 객체 인식을 통해 알 수있다. 연구자가 검증 탐구 및 생체 분자의 기능에 대한 결과 가설을 의사 소통을 위해 역사적으로, 실제 3D 모델의 구축이 필요했다. 예컨대 왓슨 - 크릭의 DNA 이중 나선과 폴링의 알파 헬릭스, 이러한 모델은 구조 - 기능 관계에 고유 한 통찰력을 제공하는 핵산 및 단백질 구조 기능 2, 3, 4의 우리 빠른 이해 선회 하였다. 복합 단백질 및 핵산 모델을 생성 할 수 있지만,시간과 실제 모델 구축의 비용을 최종적으로 컴퓨터를 이용한 분자 시각화의 상대적 용이성 능가 하였다. 또한 첨가제 제조 알려진 3D 인쇄의 개발은, 생체 분자 (5)의 물리 모델 구조를 다시 사용할 수있다. 3D 인쇄 재료 (들)의 층의 순차 첨가를 통해 디지털 파일의 실제 3 차원 물체를 제조하는 공정이다. 다양한 메커니즘이 과정에 사용된다. 최근까지, 생체 분자의 물리 모델을 생성하는 데 사용되는 컴퓨터는 널리 사용하기에는 너무 비싸다. 그러나, 지난 10 년 3 차원 프린팅 기술은 용융 필라멘트 제조 (FFF)는 특히 민생 6가 액세스 할 수 있도록 현저하게 진보되었다. FFF 프린터는 이제 높은 학교, 도서관, 대학, 연구소에서 일반적으로 사용할 수 있습니다. 3D 프린팅 기술의 큰 경제성과 접근성가능 정확한 실제 3D 생체 분자 모델 7, 8, 9로 디지털 생체 분자 3D 모델로 변환했다. 이러한 모델은 단일 생체 분자의 간단한 표현뿐만 아니라, 리보솜 및 바이러스 캡시드 구조와 같은 복잡한 거대 분자 어셈블리뿐만 아니라 포함되어 있습니다. 열가소성 압출 방법을 사용하여 특히 그러나, 개별 생체 분자 및 거대 분자 어셈블리를 인쇄하는 공정은 여러 과제를 제기. 특히, 생체 분자의 표현은 종종 프린터를 생산하기 어려운, 생성 및 성공적으로 인쇄 분자 모델링, 3D 모델링 및 3D 프린터 소프트웨어와 기술이 필요합니다 디지털 모델을 처리하는 복잡한 형상을 가지고있다. 널리 생체 분자를 인쇄하는 3D 워크 플로우의 네 단계에서 발생한다 : (1) 3D 인쇄에 대한 좌표 파일에서 생체 분자 모델을 준비하는 단계;(2) 모델 프린터와 물리적으로 생체 분자 모델을 지탱하는지지 구조를 생성하는 세그먼트에 &quot;슬라이스&quot;소프트웨어에 생체 분자 모델을 가져 오기; (3) 적절한 필라멘트를 선택하고, 3 차원 모형을 인쇄; (4) 모델의지지 재료를 제거하는 단계를 더 포함하는 포스트 - 프로덕션 처리 단계 (도 1, 2). 계산적으로, 생체 분자의 좌표 파일 조작이 프로세스의 제 1 단계는 매우 중요하다. 이 단계에서, 사용자는 스트럿 형태의 모델을 구축 증강뿐만 아니라, 사용자가 선택 표시하는 것과 외부 구조물을 제거 할 수있다. 또한, 표시의 선택이 단계에서 이루어진다 : 표면 표현, 리본 및 / 또는 개별 원자로서 생체 분자의 전부 또는 일부를 표시 할 것인지. 필요한 추가 및 / 또는 콘텐츠의 감산이 이루어지는 상기 표시가 선택되면, 구조는 3 차원 MO로 저장된델 파일. 다음으로, 파일은, 생체 분자의 플라스틱 복제본으로, 층에 의해 3D 인쇄 출력 할 수있는 파일의 레이어로 모델을 변환하는 제 2 소프트웨어 프로그램에서 개방된다. 우리 프로토콜의 목적은 FFF 프린터에 액세스 할 수 있지만 더 비싼 3D 인쇄 기술 한 사용자의 많은 수의 분자 모델의 제조에 이용할 수있게하는 것이다. 여기서는 FFF 인쇄를 위해 최적화 된 방식으로, 3D 데이터로부터 생체 분자의 3D 인쇄하기위한 가이드를 제공한다. 복잡한 생체 분자 구조의 인쇄 적성을 극대화하고 물리 모델의 간단한 사후 처리를 보장하는 방법을 우리는 세부 사항. 몇 가지 일반적인 인쇄 자료 또는 필라멘트의 특성을 비교하고, 그 사용에 대한 권장 사항은 유연한 인쇄가 제공됩니다 만들 수 있습니다. 마지막으로, 다른 분자 표현의 사용을 보여 3D 인쇄 생체 분자 모델의 일련의 예를 보여.

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;Filament&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>PLA 3D Printing Filament (1.0 kg Roll)</td><td>Quantum3D Printing</td><td>http://quantum3dprinting.com/</td><td>Very good quality PLA filament, strongly recomended</td></tr><tr><td>NinjaFlex Flexible 3D Printing Filament</td><td>Ninjatek</td><td>https://ninjatek.com/</td><td>High quality flexible filament</td></tr><tr><td>PLA Filaments PrimaValue &amp;amp; PrimaSelect</td><td>3DPrima</td><td>http://3dprima.com/</td><td>High quality European supplier of filament</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Printers&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Prusa I3 MK2 3D Printer</td><td>Prusa Research</td><td>http://www.prusa3d.com/</td><td>A popular 3D printer</td></tr><tr><td>MakerGear M2 Revision E (M2e)</td><td>MakerGear</td><td>http://www.makergear.com/</td><td>Closed source, very high quality printer</td></tr><tr><td>Ultimaker 2</td><td>Ultimaker</td><td>https://ultimaker.com/</td><td>Very reliable, easy to use printer, highest rating on 3Dhubs.com</td></tr><tr><td>Flashforge Creator Pro</td><td>Flashforge</td><td>http://www.flashforge-usa.com</td><td>Reliable, dual extrusion printer, highest rating on 3Dhubs.com</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Software&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Simplify3D Slicer</td><td>Simplify3D</td><td>https://www.simplify3d.com/</td><td>Excellent slicing software</td></tr><tr><td>Netfabb</td><td>Autodesk</td><td>http://www.autodesk.com/education/free-software/netfabb</td><td>Mesh repair software, available free of cost for educational purposes</td></tr><tr><td>Chimera</td><td>University of California, San Francisco</td><td>https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td><td>Chimera molecular vizualizer</td></tr><tr><td>Meshmixer</td><td>Autodesk</td><td>http://www.meshmixer.com/</td><td>Used for orienting models, but has other features</td></tr></tbody></table>

3d printing of biomolecular models for research and pedagogy

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D structures are most often perceived using the two-dimensional and exclusively visual medium of the computer screen. Converting digital 3D molecular data into real objects enables information to be perceived through an expanded range of human senses, including direct stereoscopic vision, touch, and interaction. Such tangible models facilitate new insights, enable hypothesis testing, and serve as psychological or sensory anchors for conceptual information about the functions of biomolecules. Recent advances in consumer 3D printing technology enable, for the first time, the cost-effective fabrication of high-quality and scientifically accurate models of biomolecules in a variety of molecular representations. However, the optimization of the virtual model and its printing parameters is difficult and time consuming without detailed guidance. Here, we provide a guide on the digital design and physical fabrication of biomolecule models for research and pedagogy using open source or low-cost software and low-cost 3D printers that use fused filament fabrication technology.

안정성, (ⅱ) 신중 (III)의 생체 분자를 인쇄, 가장 통찰력과 안정성을 제공하는 것 인 이차 구조의 표현 형식이나 스타일을 선택을 제공하기 위해 (ⅰ) 육화 결합 : 생체 분자를 안정하고 유익한 3D 인쇄 모델에 의해 제조 될 수있다 하나 이상의 분자 표현, (ⅳ) 모든 렌더링 또는 생체 분자의 일부 유연성, 또는 (V) (접속 조각 즉,) 모듈 형 복잡한 어셈블리를 생성하는 필라멘트를 사용. 이러한 유익하고 안정적인 모델을 인쇄하는 방법을 설명하기 위해, 우리는 염색질의 구성 요소와 염색질의 가상 모델을 생산에 집중했다. 염색질은 매우 복잡한 단백질 DNA 조립체이다. 염색질의 기본 단백질 서브 유닛은 히스톤 단백질이다. 네 히스톤 단백질은 각 나선 이루어져있다확장 된 알파 나선 및 제 뒤에 -loop 나선 (는 &quot;히스톤 배&quot;) &quot;히스톤 배.&quot; 히스톤 단백질 구조 용이 &quot;리본&quot;표현 (도 3a)을 사용하여 제조 할 수있다. 대안 적으로, 히스톤 단백질의 구조는 단지 그 표면 (도 3b)을 이용하여 표시 할 수있다. 구형 히스톤 량체를 형성하도록 조립 네 히스톤 단백질의 각각의 두 개의 카피들이있다. 히스톤 옥타 때문에 이러한 기능을 인쇄 할 필요가있는 더 큰 규모로, 리본 또는 메모리 표현으로 완전히 인쇄하기에는 너무 크다. 따라서, 이러한 큰 단백질 어셈블리는 최고의 표면 표현 (그림 3C)를 사용하여 표시됩니다. DNA는 10 nm의 직경 뉴 클레오 코어 입자를 형성하는 히스톤 옥타 주변 경로를 도표화한다. DNA의 경로는 두 개의 가장 좋은 모델을 인쇄하고 DNA (도 3D)을위한가요 성 섬유를 이용하여 표시 할 수있다. 뉴 클레오 코어 입자 스택서로에, 30 nm의 직경 &quot;섬유&quot;왼손 suprahelical 구조 고차 조립체를 형성한다. 최고의 10 나노 뉴 클레오 코어 입자가 30 나노 염색질 조립, 인쇄 개별 &quot;디 - 뉴 클레오&quot;입자 (그림 3E)을 형성 한 후 (그림 3 층)를 인쇄 한 후이를 스택 스택 수있는 방법을 설명합니다. 일단도 4에 도시 된 바와 같이 하나의 압출 표면 리본 흐름은, 원자, 분자, 및 복합 모델을 탐색 범위, 상기 마스터. 예를 들어, 표면과 리본 표현이 복잡 떨어진 다른 부분 (도 4b를 DNA 폴리머 라제를 참조)를 설정하기 위해 결합한다. 하나의 3D 객체에 동시에 두 개의 필라멘트를 용융 할 수있는 이중 압출 프린터를 사용하여보다 유익하고 매력적인 모델을 확인합니다 (그림 4C 참조). 대안 적으로, 상기 모델 페인트의 부품 (참조 : 구안오프라인 및 알파 나선,도 4a). 인쇄 및 나트륨 채널 같은 단백질 복합체의 서브 유니트를 조립하거나 복잡 별개의 부품을 인쇄하고 큰 다색 모델에 나중에 조립하여 더욱 수행합니다 (HIV 항체와 리보솜 복합체를 참조도 4C). 이러한 복합 모델은 단일 필라멘트 인쇄에 비해 기능적인 특징을 보여 더 잘 할 수 있습니다. 다른 색상을 강조 예를 들어, 단백질 대 단백질 (HIV 모델) 또는 RNA에 비해 당화 (리보솜 모델, 그림 4C 참조). 또한 하나의 3D 구성은 두 부분의 가까운 착용감을주는 경우 항체가, (gp120의 항체에 의해 결합도 4C 참조) HIV 표면에 결합처럼, 교육 3D 퍼즐의 창조를 위해 수 있습니다. 이러한 모델을 인쇄하는 지시가 보충 5. 또한에서 발견 될 수 있고, 우리는 일의 3D 모델의 구성을 도시하는 보충 비디오를 제공 한E FO는이 촉매기구 효소 중에 발생하는 회전기구 요점을 되풀이 할 수 있도록하는 방식으로 인쇄 부분 조립 하였다 / F1 프로톤 ATP 신타. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig1.jpg" /> 그림 1. 워크 플로우 준비하고 3D 모델을 인쇄합니다. 물리적 생체 분자 3D 인쇄 생산 단계 도시이다 : (I)의 표현을 선택 포함하는 모델을 준비는; (ii) 상기 모델의 .STL 저장된 파일을 열고 슬라이싱 소프트웨어를 사용하여 파일을 처리하는 단계; (ⅲ) 모델을 인쇄 재료 또는 필라멘트를 선택; 그리고 마지막으로, (IV) 후반 단계를 수행하는 단계를 포함한다.<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig2.jpg" /> 준비의 다양한 단계에서 모델의 다른 표현 2. 비주얼을줍니다. 맨 윗줄 : 두 가지 모델 (유비퀴틴 (PDB 1UBQ) 및 아르기닌)의 일반적인 표현은 프로그램 키메라를 사용하여 시각. 기능 유비퀴틴과 아르기닌의 종류에 따라 색깔 키메라의 STL 모델에서 생성 된 인쇄 공구 경로 : 중동 행 (오렌지 : 메우는 패턴, 진한 파란색 : 외부 쉘, 라이트 블루 : 내부 쉘). 하단 행 : 유비퀴틴과 아르기닌의 최종 인쇄합니다. 유비퀴틴의 표면과 두 개의 리본 모델은 기본 키메라의 STL 출력의 300 %에 인쇄 (키메라 기본 모델 1 nm의 인쇄에 1cm이다)를 지닌 모델 w 동안로 1,000 %로 인쇄. 키메라 기본 리본 또는 스틱 모델은 제대로 인쇄가 너무 얇은하지만 두꺼워 버전은 안정적으로 인쇄됩니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig3.jpg" /> 3. 뉴 클레오 사례 연구를 그림. (A) 농축에 의해 렌더링 단일 히스톤 H3 단백질 &quot;리본은,&quot;300 %에 인쇄. 200 %에 인쇄 (B) 히스톤 H3 단백질 &quot;표면&quot;표현. 100 % 인쇄 옥타 (C) 히스톤 단백질. 100 % 인쇄 유연한 DNA (흰색)와 함께 단지에 (D) 히스톤 단백질 옥타 (오렌지). (E) Dinucleosome 표면 모델은 기본 프로브 반경 인쇄 100 % 배율로 인쇄. (F)는의 m수동으로 50 %와 25 % 크기로 인쇄 된면이 3 Å의 프로브 반경 렌더링 된 &quot;10 나노&quot;dinucleosome, 개별적으로 인쇄 된 모델을 적층하여 만든 염색질 &quot;30 나노 섬유&quot;의 ODEL 및 개최 함께 플레이 - 찰흙으로. 3D 인쇄는 dinucleosome (PDB 1ZBB)의 모델에서 생성되었다. 모든 모델은 NIH 3D 인쇄 교환 (11)에서 다운로드 자유롭게 사용할 수 있습니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig4.jpg" /> 3D 인쇄 모델도 4 예는 필라멘트의 프린터를 사용하여 제조. (A) 왼쪽, 육각형 얼음 결정 (이중 필라멘트 인쇄)에서 물 분자의 볼과 스틱 모델입니다. 중동, 염기 (구아닌)의 모델입니다. 오른쪽, 단백질 알파 시간<html> 수소 결합을 보여주는 elix 백본 전용 모델 (검은 색). 구아닌과 알파 나선은 sharpies 수동 컬러 하였다. (B) 왼쪽, 서로 결합되는 4 개의 서브 유닛으로 구성 나트륨 채널 (PDB 3E89). 중동은 말라리아 원충의 L-젖산 탈수소 효소 (PDB 1T2D)는 리본으로 인쇄. DNA의 중합 효소 활성 부위 (PDB 1KLN)의 오른쪽, 모델, 리본 등의 표면 단백질로 보여주는 DNA. (C) 왼쪽, 당 단백질과 HIV 지질 봉투 (PDB 5FUU)의 15 %에 인쇄 항체 (PDB 1IGT), 구속. 중동, 리본 (PDB 5FYJ)로 표시 항체의 가변 영역과 150 %의 당 단백질 항원 표면의 세부 사항. 박테리아 70S 리보솜 (PDB 4V5D)의 오른쪽, 모델 40 %와 20 %에서. 비율은 100 %가 1mm로 분자 인쇄 1 nm의 의미 표준 키메라 출력을 참조하십시오. 모든 모델은 NIH 3D 인쇄 교환 (11)에서 다운로드 자유롭게 사용할 수 있습니다.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg &quot;대상 =&quot;_ 빈 &quot;&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

Physical models of biomolecules can facilitate an understanding of their structure-function for the researcher, aid in communication between researchers, and serve as an educational tool in pedagogical endeavors. Here, we provide detailed guidance for the 3D printing of accurate models of biomolecules using fused filament fabrication desktop 3D printers.

연구 및 교육학에 대한 생명 모델의 3D 인쇄

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D ...

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23.6K 조회수.  Brandeis University. Physical models of biomolecules can facilitate an understanding of their structure-function for the researcher, aid in communication between researchers, and serve as an educational tool in pedagogical endeavors. Here, we provide detailed guidance for the 3D printing of accurate models of biomolecules using fused filament fabrication desktop 3D printers.

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Multimodal 3D Printing of Phantoms to Simulate Biological Tissue

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of an optical imaging device are greatly affected by the performance characteristics of its components, the test environment, and the operations. Therefore, it is necessary to calibrate these devices by traceable phantom standards. However, most of the currently available phantoms are homogeneous phantoms that cannot simulate multimodal and dynamic characteristics of biological tissue. Here, we show the fabrication of heterogeneous tissue-simulating phantoms using a production line integrating a spin coating module, a polyjet module, a fused deposition modeling (FDM) module, and an automatic control framework. The structural information and the optical parameters of a &#34;digital optical phantom&#34; are defined in a prototype file, imported to the production line, and fabricated layer-by-layer with sequential switch between different printing modalities. Technical capability of such a production line is exemplified by the automatic printing of skin-simulating phantoms that comprise the epidermis, dermis, subcutaneous tissue, and an embedded tumor.

Spin coating, polyjet printing, and fused deposition modeling are integrated to produce multilayered heterogeneous phantoms that simulate structural and functional properties of biological tissue.

생물학적 조직을 시뮬레이션하기 위한 팬텀의 멀티모달 3D 프린팅

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of ...

연구

공학

Interactive Molecular Model Assembly with 3D Printing

With the growth in accessibility of 3D printing, there has been a growing application of and interest in additive manufacturing processes in chemical laboratories and chemical education. Building on the long and successful history of physical modeling of molecular systems, we present select models along with a protocol to facilitate 3D printing of molecular structures that are able to do more than represent shape and connectivity. Models assembled as described incorporate dynamic aspects and degrees of freedom into saturated hydrocarbon structures. As a representative example, cyclohexane was assembled from parts printed and finished using different thermoplastics, and the resulting models retain their functionality at a variety of scales. The resulting structures show configurational space accessibility consistent with calculations and literature, and versions of these structures can be used as aids to illustrate concepts that are difficult to convey in other ways. This exercise enables us to evaluate successful printing protocols, make practical recommendations for assembly, and outline design principles for physical modeling of molecular systems. The provided structures, procedures, and results provide a foundation for individual manufacture and exploration of molecular structure and dynamics with 3D printing.

Physical modeling of microscopic systems helps obtain insights that are difficult to gain by other means. To facilitate the construction of physical molecular models, we demonstrate how 3D printing can be used to assemble functional macroscopic models that capture qualities of molecular systems in a tactile way.

3D 프린팅을 갖춘 대화형 분자 모델 어셈블리

With the growth in accessibility of 3D printing, there has been a growing application of and interest in additive manufacturing processes in chemical ...

화학

Scaled Anatomical Model Creation of Biomedical Tomographic Imaging Data and Associated Labels for Subsequent Sub-surface Laser Engraving (SSLE) of Glass Crystals

Biomedical imaging modalities like computed tomography (CT) and magnetic resonance (MR) provide excellent platforms for collecting three-dimensional data sets of patient or specimen anatomy in clinical or preclinical settings. However, the use of a virtual, on-screen display limits the ability of these tomographic images to fully convey the anatomical information embedded within. One solution is to interface a biomedical imaging data set with 3D printing technology to generate a physical replica. Here we detail a complementary method to visualize tomographic imaging data with a hand-held model: Sub Surface Laser Engraving (SSLE) of crystal glass. SSLE offers several unique benefits including: the facile ability to include anatomical labels, as well as a scale bar; streamlined multipart assembly of complex structures in one medium; high resolution in the X, Y, and Z planes; and semi-transparent shells for visualization of internal anatomical substructures. Here we demonstrate the process of SSLE with CT data sets derived from pre-clinical and clinical sources. This protocol will serve as a powerful and inexpensive new tool with which to visualize complex anatomical structures for scientists and students in a number of educational and research settings.

Scaled Anatomical Model Creation of Biomedical Tomographic Imaging Data and Associated Labels for Subsequent Sub-surface Laser Engraving SSLE of Glass Crystals

A methodology is described herein for representing anatomical imaging data within crystals. We create scaled three-dimensional models of biomedical imaging data for use in Sub-Surface Laser Engraving (SSLE) of crystal glass. This tool offers a useful complement to computational display or three-dimensionally printed models used within clinical or educational settings.

유리 크리스탈의 후속 하위 표면 레이저 조각 (SSLE)에 대한 확장 된 해부학 모델 생체 단층 촬영 영상 데이터의 생성 및 관련 레이블

Biomedical imaging modalities like computed tomography (CT) and magnetic resonance (MR) provide excellent platforms for collecting three-dimensional data ...

생체공학

Bioprintable Alginate/Gelatin Hydrogel 3D In Vitro Model Systems Induce Cell Spheroid Formation

The cellular, biochemical, and biophysical heterogeneity of the native tumor microenvironment is not recapitulated by growing immortalized cancer cell lines using conventional two-dimensional (2D) cell culture. These challenges can be overcome by using bioprinting techniques to build heterogeneous three-dimensional (3D) tumor models whereby different types of cells are embedded. Alginate and gelatin are two of the most common biomaterials employed in bioprinting due to their biocompatibility, biomimicry, and mechanical properties. By combining the two polymers, we achieved a bioprintable composite hydrogel with similarities to the microscopic architecture of a native tumor stroma. We studied the printability of the composite hydrogel via rheology and obtained the optimal printing window. Breast cancer cells and fibroblasts were embedded in the hydrogels and printed to form a 3D model mimicking the in vivo microenvironment. The bioprinted heterogeneous model achieves a high viability for long-term cell culture (&#62; 30 days) and promotes the self-assembly of breast cancer cells into multicellular tumor spheroids (MCTS). We observed the migration and interaction of the cancer-associated fibroblast cells (CAFs) with the MCTS in this model. By using bioprinted cell culture platforms as co-culture systems, it offers a unique tool to study the dependence of tumorigenesis on the stroma composition. This technique features a high-throughput, low cost, and high reproducibility, and it can also provide an alternative model to conventional cell monolayer cultures and animal tumor models to study cancer biology.

Bioprintable Alginate/Gelatin Hydrogel 3D In Vitro Model Systems Induce Cell Spheroid Formation

We developed a heterogeneous breast cancer model consisting of immortalized tumor and fibroblast cells embedded in a bioprintable alginate/gelatin bioink. The model recapitulates the in vivo tumor microenvironment and facilitates the formation of multicellular tumor spheroids, yielding insight into the mechanisms driving tumorigenesis.

셀 회전 타원 체 형성을 유발 하는 모델 시스템에 3D 생체 외에서 Bioprintable Alginate/젤라틴 하이드로 겔

The cellular, biochemical, and biophysical heterogeneity of the native tumor microenvironment is not recapitulated by growing immortalized cancer cell ...

Three-dimensional Patterning of Engineered Biofilms with a Do-it-yourself Bioprinter

Biofilms are aggregates of bacteria embedded in a self-produced spatially-patterned extracellular matrix. Bacteria within a biofilm develop enhanced antibiotic resistance, which poses potential health dangers, but can also be beneficial for environmental applications such as purification of drinking water. The further development of anti-bacterial therapeutics and biofilm-inspired applications will require the development of reproducible, engineerable methods for biofilm creation. Recently, a novel method of biofilm preparation using a modified three-dimensional (3D) printer with a bacterial ink has been developed. This article describes the steps necessary to build this efficient, low-cost 3D bioprinter that offers multiple applications in bacterially-induced materials processing. The protocol begins with an adapted commercial 3D printer in which the extruder has been replaced with a bio-ink dispenser connected to a syringe pump system enabling a controllable, continuous flow of bio-ink. To develop a bio-ink suitable for biofilm printing, engineered Escherichia coli bacteria were suspended in a solution of alginate, so that they solidify in contact with a surface containing calcium. The inclusion of an inducer chemical within the printing substrate drives expression of biofilm proteins within the printed bio-ink. This method enables 3D printing of various spatial patterns composed of discrete layers of printed biofilms. Such spatially-controlled biofilms can serve as model systems and can find applications in multiple fields that have a wide-ranging impact on society, including antibiotic resistance prevention or drinking water purification, among others.

This article describes a method of transforming a low-cost commercial 3D printer into a bacterial 3D printer that can facilitate printing of patterned biofilms. All necessary aspects of preparing the bioprinter and bio-ink are described, as well as verification methods to assess the formation of biofilms.

엔지니어 드 바이오 필름의 3 차원 패터 닝-it-스스로 바이오 필름

Biofilms are aggregates of bacteria embedded in a self-produced spatially-patterned extracellular matrix. Bacteria within a biofilm develop enhanced ...

Voxel Printing Anatomy: Design and Fabrication of Realistic, Presurgical Planning Models through Bitmap Printing

Most applications of 3-dimensional (3D) printing for presurgical planning have been limited to bony structures and simple morphological descriptions of complex organs due to the fundamental limitations in accuracy, quality, and efficiency of the current modeling paradigm. This has largely ignored the soft tissue critical to most surgical specialties where the interior of an object matters and anatomical boundaries transition gradually. Therefore, the needs of the biomedical industry to replicate human tissue, which displays multiple scales of organization and varying material distributions, necessitate new forms of representation. 
Presented here is a novel technique to create 3D models directly from medical images, which are superior in spatial and contrast resolution to current 3D modeling methods and contain previously unachievable spatial fidelity and soft tissue differentiation. Also presented are empirical measurements of novel, additively manufactured composites that span the gamut of material stiffnesses seen in soft biological tissues from MRI and CT. These unique volumetric design and printing methods allow for deterministic and continuous adjustment of material stiffness and color. This capability enables an entirely new application of additive manufacturing to presurgical planning: mechanical realism. As a natural complement to existing models that provide appearance matching, these new models also allow medical professionals to "feel" the spatially varying material properties of a tissue simulant-a critical addition to a field in which tactile sensation plays a key role.

This method demonstrates a voxel-based 3D printing workflow, which prints directly from medical images with exact spatial fidelity and spatial/contrast resolution. This enables the precise, graduated control of material distributions through morphologically complex, graduated materials correlated to radiodensity without loss or alteration of data.

복셀 인쇄 해부학 : 비트 맵 인쇄를 통해 사실적이고 사전 수술 계획 모델의 설계 및 제작

Most applications of 3-dimensional (3D) printing for presurgical planning have been limited to bony structures and simple morphological descriptions of ...

3D Printing of Preclinical X-ray Computed Tomographic Data Sets

Three-dimensional printing allows for the production of highly detailed objects through a process known as additive manufacturing. Traditional, mold-injection methods to create models or parts have several limitations, the most important of which is a difficulty in making highly complex products in a timely, cost-effective manner.1 However, gradual improvements in three-dimensional printing technology have resulted in both high-end and economy instruments that are now available for the facile production of customized models.2 These printers have the ability to extrude high-resolution objects with enough detail to accurately represent in vivo images generated from a preclinical X-ray CT scanner. With proper data collection, surface rendering, and stereolithographic editing, it is now possible and inexpensive to rapidly produce detailed skeletal and soft tissue structures from X-ray CT data. Even in the early stages of development, the anatomical models produced by three-dimensional printing appeal to both educators and researchers who can utilize the technology to improve visualization proficiency. 3, 4 The real benefits of this method result from the tangible experience a researcher can have with data that cannot be adequately conveyed through a computer screen. The translation of pre-clinical 3D data to a physical object that is an exact copy of the test subject is a powerful tool for visualization and communication, especially for relating imaging research to students, or those in other fields. Here, we provide a detailed method for printing plastic models of bone and organ structures derived from X-ray CT scans utilizing an Albira X-ray CT system in conjunction with PMOD, ImageJ, Meshlab, Netfabb, and ReplicatorG software packages.

Using modern plastic extrusion and printing technologies, it is now possible to quickly and inexpensively produce physical models of X-ray CT data taken in a laboratory. The three -dimensional printing of tomographic data is a powerful visualization, research, and educational tool that may now be accessed by the preclinical imaging community.

잠복기 X-선 계산 된 단층 데이터의 3D 인쇄 설정

Three-dimensional printing allows for the production of highly detailed objects through a process known as additive manufacturing.  Traditional, ...

생물학

운동성 및 성장 연구를 위한 하이드로겔 매트릭스의 바이오프린팅 박테리아

3D Printing Bacteria to Study Motility and Growth in Complex 3D Porous Media

Bacteria are ubiquitous in complex three-dimensional (3D) porous environments, such as biological tissues and gels, and subsurface soils and sediments. However, the majority of previous work has focused on studies of cells in bulk liquids or at flat surfaces, which do not fully recapitulate the complexity of many natural bacterial habitats. Here, this gap in knowledge is addressed by describing the development of a method to 3D-print dense colonies of bacteria into jammed granular hydrogel matrices. These matrices have tunable pore sizes and mechanical properties; they physically confine the cells, thus supporting them in 3D. They are optically transparent, allowing for direct visualization of bacterial spreading through their surroundings using imaging. As a proof of this principle, here, the capability of this protocol is demonstrated by 3D printing and imaging non-motile and motile Vibro cholerae, as well as non-motile Escherichia coli, in jammed granular hydrogel matrices with varying interstitial pore sizes.

저자 스포트라이트: 3D 하이드로겔 매트릭스의 박테리아 성장 연구

This protocol describes a procedure for three-dimensional (3D) printing of bacterial colonies to study their motility and growth in complex 3D porous hydrogel matrices that are more akin to their natural habitats than conventional liquid cultures or Petri dishes.

복잡한 3D 다공성 매체의 운동성과 성장을 연구하기 위한 3D 프린팅 박테리아

Bacteria are ubiquitous in complex three-dimensional (3D) porous environments, such as biological tissues and gels, and subsurface soils and sediments. ...

연구 및 교육학에 대한 생명 모델의 3D 인쇄

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생물학적 조직을 시뮬레이션하기 위한 팬텀의 멀티모달 3D 프린팅

3D 프린팅을 갖춘 대화형 분자 모델 어셈블리

유리 크리스탈의 후속 하위 표면 레이저 조각 (SSLE)에 대한 확장 된 해부학 모델 생체 단층 촬영 영상 데이터의 생성 및 관련 레이블

셀 회전 타원 체 형성을 유발 하는 모델 시스템에 3D 생체 외에서 Bioprintable Alginate/젤라틴 하이드로 겔

엔지니어 드 바이오 필름의 3 차원 패터 닝-it-스스로 바이오 필름

복셀 인쇄 해부학 : 비트 맵 인쇄를 통해 사실적이고 사전 수술 계획 모델의 설계 및 제작

잠복기 X-선 계산 된 단층 데이터의 3D 인쇄 설정

복잡한 3D 다공성 매체의 운동성과 성장을 연구하기 위한 3D 프린팅 박테리아

복잡한 3D 다공성 매체의 운동성과 성장을 연구하기 위한 3D 프린팅 박테리아

복잡한 3D 다공성 매체의 운동성과 성장을 연구하기 위한 3D 프린팅 박테리아