Nowy proces druku 3D w mikroskali umożliwia tworzenie cząstek o niemal dowolnym kształcie do zastosowań w medycynie, produkcji, badaniach i nie tylko – w tempie do 1 miliona cząstek dziennie.
Wydrukowane w 3D mikroskopijne cząstki, tak małe, że gołym okiem wyglądają jak pył, mają zastosowanie w dostarczaniu leków i szczepionek, mikroelektronice, mikroprzepływach i materiałach ściernych do skomplikowanej produkcji. Jednakże potrzeba precyzyjnej koordynacji pomiędzy dostarczaniem światła, ruchem sceny i właściwościami żywicy sprawia, że skalowalne wytwarzanie takich niestandardowych cząstek w mikroskali stanowi wyzwanie. Teraz naukowcy z Uniwersytetu Stanforda wprowadzili bardziej wydajną technikę przetwarzania, która pozwala drukować do 1 miliona bardzo szczegółowych i konfigurowalnych cząstek w mikroskali dziennie.
„Możemy teraz tworzyć znacznie bardziej złożone kształty aż do skali mikroskopowej, z szybkościami, które nie zostały wcześniej wykazane w przypadku wytwarzania cząstek i z szerokiej gamy materiałów” – powiedział Jason Kronenfeld, doktorant w laboratorium DeSimone na Uniwersytecie Stanforda i główny autor artykułu szczegółowo opisującego ten proces, opublikowanego dzisiaj w Nature.
Niniejsza praca opiera się na technice drukowania znanej jako ciągła produkcja interfejsu płynnego (CLIP), wprowadzonej w 2015 roku przez DeSimone i współpracowników. CLIP wykorzystuje światło UV rzutowane w plasterkach, aby szybko utwardzić żywicę i nadać jej pożądany kształt. Technika ta opiera się na przepuszczalnym dla tlenu oknie nad projektorem światła UV. Tworzy to „martwą strefę”, która zapobiega utwardzaniu się i przyklejaniu się płynnej żywicy do okna. W rezultacie delikatne cechy można utwardzać bez zrywania każdej warstwy z okna, co prowadzi do szybszego drukowania cząstek.
„Wykorzystanie światła do wytwarzania obiektów bez pleśni otwiera zupełnie nowy horyzont w świecie cząstek” – powiedział Joseph DeSimone, profesor medycyny translacyjnej w Sanjiv Sam Gambhir w Stanford Medicine i współautor artykułu. „Uważamy, że robienie tego w skalowalny sposób stwarza możliwości wykorzystania tych cząstek do napędzania przemysłu przyszłości. Jesteśmy podekscytowani tym, dokąd może to prowadzić i gdzie inni mogą wykorzystać te pomysły do realizacji własnych aspiracji”.
Rolka za rolką
Wynaleziony przez tych badaczy proces masowej produkcji cząstek o unikalnych kształtach, mniejszych niż szerokość ludzkiego włosa, przypomina linię montażową. Zaczyna się od folii, która jest starannie napinana, a następnie wysyłana do drukarki CLIP. W drukarni na folii drukowane są jednocześnie setki kształtów, a następnie linia montażowa przesuwa się, aby umyć, utwardzić i usunąć kształty – wszystkie etapy można dostosować w zależności od kształtu i użytego materiału. Na koniec pusta folia jest ponownie zwijana, nadając całemu procesowi nazwę CLIP typu roll-to-roll lub r2rCLIP. Przed r2rCLIP partia wydrukowanych cząstek musiałaby zostać przetworzona ręcznie, co jest procesem powolnym i pracochłonnym. Automatyzacja r2rCLIP umożliwia teraz niespotykane dotąd tempo produkcji do 1 miliona cząstek dziennie.
Jeśli brzmi to jak znajoma forma produkcji, jest to zamierzone.
„Nie kupuje się rzeczy, których nie można wyprodukować” – powiedział DeSimone, który jest także profesorem inżynierii chemicznej w Szkole Inżynierskiej. „Narzędzia, których używa większość badaczy, to narzędzia do tworzenia prototypów i stanowisk testowych oraz do potwierdzania ważnych punktów. Moje laboratorium zajmuje się naukami o produkcji translacyjnej – opracowujemy narzędzia, które umożliwiają stosowanie skali. To jeden ze wspaniałych przykładów tego, co oznaczało to skupienie się dla nas.”
W druku 3D istnieją kompromisy w zakresie rozdzielczości i szybkości. Na przykład inne procesy drukowania 3D mogą drukować znacznie mniejsze – w skali nanometrowej – ale są wolniejsze. I oczywiście makroskopowy druk 3D zyskał już oparcie (dosłownie) w masowej produkcji, w postaci obuwia, artykułów gospodarstwa domowego, części maszyn, kasków piłkarskich, protez zębowych, aparatów słuchowych i innych. Niniejsza praca dotyczy możliwości znajdujących się pomiędzy tymi światami.
„Osiągamy precyzyjną równowagę między szybkością a rozdzielczością” – powiedział Kronenfeld. „Nasze podejście pozwala na uzyskanie wyników o wysokiej rozdzielczości przy jednoczesnym zachowaniu tempa produkcji wymaganego do osiągnięcia wielkości produkcji cząstek, którą eksperci uważają za niezbędną w różnych zastosowaniach. Techniki o potencjalnym wpływie translacyjnym muszą dać się łatwo dostosować ze skali laboratorium badawczego do skali produkcja przemysłowa.”
Twardy i miękki
Naukowcy mają nadzieję, że proces r2rCLIP zostanie szeroko przyjęty przez innych badaczy i przemysł. Poza tym DeSimone wierzy, że druk 3D jako dziedzina szybko ewoluuje, pomijając pytania dotyczące procesu i kierując się w stronę ambicji dotyczących możliwości.
„r2rCLIP to technologia fundamentalna” – powiedział DeSimone. „Ale naprawdę wierzę, że wkraczamy teraz w świat bardziej skupiony na samych produktach 3D niż na procesie. Procesy te stają się wyraźnie wartościowe i użyteczne. A teraz pytanie brzmi: Jakie są zastosowania o dużej wartości?”
Ze swojej strony naukowcy eksperymentowali już z wytwarzaniem zarówno twardych, jak i miękkich cząstek wykonanych z ceramiki i hydrożeli. Pierwszy z nich mógłby znaleźć zastosowanie w produkcji mikroelektroniki, a drugi w dostarczaniu leków do organizmu.
„Istnieje szeroki zakres zastosowań, a my dopiero zaczynamy je badać” – powiedziała Maria Dulay, starszy pracownik naukowy w laboratorium DeSimone i współautorka artykułu. „To dość niezwykłe, na jakim etapie jesteśmy z tą techniką”.