3-D-printede sukkerstilladser tilbyder en sød løsning til vævsteknologi, enhedsfremstilling

Ingeniører fra University of Illinois byggede en 3-D-printer, der tilbyder en sød løsning til at lave detaljerede strukturer, som kommercielle 3-D-printere ikke kan:I stedet for en lag-på-lag solid skal, det producerer et delikat netværk af tynde bånd af hærdet isomalt, den type sukkeralkohol der bruges til at lave halspastiller.

De vandopløselige, bionedbrydelige glasagtige sukkerstrukturer har flere anvendelser inden for biomedicinsk teknik, kræftforskning og apparatfremstilling.

"Dette er en fantastisk måde at skabe former omkring, som vi kan mønstre bløde materialer på eller dyrke celler og væv på, så opløses stilladset væk, " sagde Rohit Bhargava, en professor i bioteknik og direktør for Cancer Center i Illinois. "For eksempel, en mulig anvendelse er at dyrke væv eller studere tumorer i laboratoriet. Cellekulturer udføres normalt på flade fade. Det giver os nogle karakteristika ved cellerne, men det er ikke en særlig dynamisk måde at se på, hvordan et system faktisk fungerer i kroppen. I kroppen, der er veldefinerede former, og form og funktion hænger meget tæt sammen."

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Additive Manufacturing, forskergruppen beskrev materialerne og mekanikken ved fri-form isomalttryk. Fri form betyder, at når dysen bevæger sig gennem rummet, det smeltede materiale hærder, efterlader en robust struktur – som at tegne i luften.

Andre typer sukkertryk er tidligere blevet undersøgt, men har problemer med at sukkeret brænder eller krystalliserer, sagde Matthew Gelber, den første forfatter af papiret, der for nylig dimitterede fra Bhargavas gruppe med en ph.d.

Illinois-teamet fandt ud af, at sukkeralkohol-isomalt kunne fungere til printapplikationer og er mindre tilbøjelig til at brænde eller krystallisere. Så skulle de bygge en printer, der ville have den rigtige kombination af mekaniske detaljer til at printe stabile isomaltstrukturer – den rigtige temperatur, tryk for at ekstrudere det fra dysen, diameter på dysen, og hastighed for at flytte den, så den udskriver jævnt, men derefter hærder til en stabil struktur.

"Efter materialerne og mekanikken, den tredje komponent var datalogi, " sagde Gelber. "Du har et design af en ting, du vil lave; hvordan fortæller du printeren om at lave det? Hvordan finder du ud af rækkefølgen for at udskrive alle disse krydsende filamenter, så de ikke falder sammen?"

Illinois-forskerne samarbejdede med Greg Hurst ved Wolfram Research i Champaign for at skabe en algoritme til at designe stilladser og kortlægge udskrivningsveje.

En fordel med sådanne friformede strukturer er deres evne til at lave tynde rør med cirkulære tværsnit, noget, der ikke er muligt med konventionel polymer 3-D print, sagde Bhargava. Når sukkeret opløses, det efterlader en række forbundne cylindriske rør og tunneler, der kan bruges som blodkar til at transportere næringsstoffer i væv eller til at skabe kanaler i mikrofluidiske enheder.

En anden fordel er evnen til præcist at kontrollere de mekaniske egenskaber af hver del af strukturen ved at foretage små ændringer i printerparametrene.

"For eksempel, vi trykte en kanin. Vi kunne, i princippet, ændre de mekaniske egenskaber af kaninens hale til at være forskellige fra kaninens bagside, og alligevel være anderledes end ørerne, " sagde Bhargava. "Dette er meget vigtigt biologisk. Ved udskrivning lag for lag, du har det samme materiale og du indbetaler det samme beløb, så det er meget svært at justere de mekaniske egenskaber."

Bhargavas gruppe bruger allerede stilladserne i en række mikrofluidiske enheder og cellekulturer, og den arbejder på at udvikle belægning til stilladserne for at kontrollere, hvor hurtigt de opløses. Additive Manufacturing-papiret er en del af en række publikationer baseret på Gelbers afhandlingsarbejde, der beskriver, hvordan man bygger printeren og de planlægningsalgoritmer, der er nødvendige for at betjene den, da forskerne håber, at andre kan bruge deres modeller til at bygge printere og udforske forskellige applikationer til isomaltstrukturer.

"Denne printer er et eksempel på teknik, der har langsigtede konsekvenser for biologisk forskning, " Bhargava sagde. "Dette er grundlæggende teknik, der kommer sammen med materialevidenskab og datalogi for at gøre en nyttig enhed til biomedicinske applikationer."