Stanford Engineering
Z novim postopkom za mikroskopsko 3D-tiskanje se ustvarjajo delci skoraj vseh oblik za uporabo v medicini, proizvodnji, raziskavah in drugje – s hitrostjo do 1 milijona delcev na dan.
Mikroskopski delci, natisnjeni s 3D tiskalnikom, ki so tako majhni, da so s prostim očesom videti kot prah, se uporabljajo pri dostavi zdravil in cepiv, v mikroelektroniki, mikrofluidiki in kot abrazivi za zapleteno proizvodnjo. Vendar je zaradi potrebe po natančnem usklajevanju med dostavo svetlobe, gibanjem stopnje in lastnostmi smole skalabilna izdelava takšnih mikroskopskih delcev po meri zahtevna. Raziskovalci na Univerzi Stanford so zdaj predstavili učinkovitejšo tehniko obdelave, s katero je mogoče natisniti do 1 milijon zelo podrobnih in prilagodljivih mikrodelcev na dan.
„Zdaj lahko iz najrazličnejših materialov ustvarjamo veliko bolj zapletene oblike do mikroskopskega obsega, in sicer s hitrostjo, ki pri izdelavi delcev še ni bila dokazana,“ je povedal Jason Kronenfeld [1], doktorski kandidat v laboratoriju DeSimone [2] na Stanfordu in glavni avtor članka, ki opisuje ta postopek in je bil objavljen v reviji Nature.
To delo temelji na tehniki tiskanja, znani kot neprekinjena proizvodnja tekočega medija ali CLIP, ki so jo leta 2015 predstavili DeSimone in sodelavci. CLIP za hitro strjevanje smole v želeno obliko uporablja UV-svetlobo, ki se projicira v rezinah. Tehnika temelji na oknu nad projektorjem UV-svetlobe, ki prepušča kisik. To ustvari „mrtvo cono“, ki preprečuje, da bi se tekoča smola strdila in prilepila na okno. Tako je mogoče strjevati občutljive elemente, ne da bi vsako plast odtrgali od okna, kar omogoča hitrejše tiskanje delcev.
„Uporaba svetlobe za izdelavo predmetov brez kalupov odpira povsem nova obzorja v svetu delcev,“ je dejal Joseph DeSimone, profesor translacijske medicine Sanjiv Sam Gambhir na Medicinski fakulteti Stanford in avtor prispevka. „Menimo, da je to mogoče narediti na razširljiv način, kar bo omogočilo uporabo teh delcev za pogon industrije prihodnosti. Navdušeni smo nad tem, kam lahko to pripelje in kje lahko drugi uporabijo te zamisli za napredovanje svojih želja.“
Princip 3D tiskanja
Postopek, ki so ga ti raziskovalci izumili za množično proizvodnjo edinstveno oblikovanih delcev, manjših od širine človeškega lasa, spominja na montažno linijo. Začne se s filmom, ki se skrbno napne in nato pošlje v CLIP tiskalnik. V tiskalniku se na folijo natisne na stotine oblik naenkrat, nato pa montažna linija nadaljuje s pranjem, strjevanjem in odstranjevanjem oblik – vse te korake je mogoče prilagoditi glede na obliko in material.
„Ne kupuj stvari, ki jih ne moreš izdelati,“ je dejal DeSimone, ki je tudi profesor kemijskega inženirstva na Fakulteti za strojništvo. „Orodja, ki jih uporablja večina raziskovalcev, so orodja za izdelavo prototipov in testnih poligonov ter za dokazovanje pomembnih točk. Moj laboratorij se ukvarja s translacijsko znanostjo o proizvodnji – razvijamo orodja, ki omogočajo povečanje obsega. To je eden od odličnih primerov, kaj nam ta usmeritev pomeni.“
Pri 3D-tiskanju je kompromis med ločljivostjo in hitrostjo. Drugi postopki 3D tiskanja lahko na primer natisnejo veliko manjše dele – na ravni nanometrov, vendar so počasnejši. Seveda pa se je makroskopski 3D-tisk že uveljavil (dobesedno) v množični proizvodnji, in sicer v obliki čevljev, gospodinjskih izdelkov, strojnih delov, nogometnih čelad, zobnih protez, slušnih aparatov in drugega. To delo obravnava priložnosti med temi svetovi.
„Iščemo natančno ravnovesje med hitrostjo in ločljivostjo,“ pravi Kronenfeld. „Naš pristop je izrazito sposoben proizvajati rezultate visoke ločljivosti, hkrati pa ohraniti hitrost izdelave, ki je potrebna za doseganje obsega proizvodnje delcev, za katerega strokovnjaki menijo, da je bistven za različne aplikacije. Tehnike, ki imajo potencial za translacijski učinek, morajo biti izvedljivo prilagodljive iz raziskovalnega laboratorija na raven industrijske proizvodnje.“
Trdno in mehko
Raziskovalci upajo, da bodo postopek r2rCLIP široko sprejeli tudi drugi raziskovalci in industrija. Poleg tega DeSimone meni, da se 3D-tiskanje kot področje hitro razvija mimo vprašanj o postopku in v smeri ambicij o možnostih.
„r2rCLIP je temeljna tehnologija,“ pravi DeSimone. „Vendar verjamem, da zdaj vstopamo v svet, ki je bolj kot na proces osredotočen na 3D izdelke same. Ti procesi postajajo očitno dragoceni in uporabni. Vprašanje pa je: katere so aplikacije z visoko dodano vrednostjo?“
Raziskovalci so že eksperimentirali z izdelavo trdih in mehkih delcev iz keramike in hidrogela. Prvi bi se lahko uporabljali pri proizvodnji mikroelektronike, drugi pa pri dostavi zdravil v telo.
„Obstaja široka paleta aplikacij, ki jih šele začenjamo raziskovati,“ je povedala Maria Dulay, višja znanstvenica v laboratoriju DeSimone in soavtorica članka. „To, kar smo dosegli s to tehniko, je izjemno.“
Dodatna soavtorja sta Lukas Rother, ki je bil v času tega dela gostujoči magistrski študent, in Max Saccone, podoktorski študent kemijskega inženirstva in radiologije. DeSimone je tudi honorarni profesor kemije na Fakulteti za humanistiko in naravoslovje, znanosti o materialih in inženirstva na Fakulteti za strojništvo ter operacij, informacij in tehnologije na Podiplomski poslovni fakulteti. Je član StanfordBio-X, WuTsai Human PerformanceAlliance in StanfordCancer Institute ter član fakultete SarafanChEM-H, sourednik centra Canary na Stanfordu za zgodnje odkrivanje raka in ustanovni direktor Centra za mentorstvo STEMM na Stanfordu.
To raziskavo sta delno financirala fundacija Bill &Melinda Gates in program National Science FoundationGraduateResearchFellowship Program. Del tega dela je bil opravljen v Stanford Nano SharedFacilities, ki ga podpira National Science Foundation.
Viri:
1: https://profiles.stanford.edu/jason-kronenfeld
2: https://desimonegroup.stanford.edu/
