3D-print i mikroskala isstrukturer til avanceret fremstilling og biomedicinsk teknik

Store videnskabelige gennembrud kræver ofte opfindelser i den mindste skala. Fremskridt inden for vævsteknologi, der kan erstatte hjerter og lunger, vil kræve fremstilling af kunstigt væv, der tillader blodstrømmen gennem passager, der ikke er tykkere end en hårstrå. Tilsvarende vil miniature softbotiske (soft-robot) enheder, der fysisk interagerer med mennesker sikkert og komfortabelt, kræve fremstilling af komponenter med komplekse netværk af små væske- og luftstrømskanaler.

Fremskridt inden for 3D-print gør det muligt at producere så små strukturer. Men for de applikationer, der kræver meget små, glatte, interne kanaler i specifikke komplekse geometrier, er der stadig udfordringer. 3D-print af disse geometrier ved hjælp af traditionelle processer kræver brug af støttestrukturer, som er svære at fjerne efter udskrivning. Udskrivning af disse modeller ved hjælp af lagbaserede metoder i høj opløsning tager lang tid og kompromitterer den geometriske nøjagtighed.

Forskere ved Carnegie Mellon University har udviklet en højhastigheds, reproducerbar fremstillingsmetode, der vender 3D-printprocessen "indre ud". De udviklede en tilgang til 3D-print isstrukturer, der kan bruges til at skabe offerskabeloner, der senere danner ledningerne og andre åbne funktioner inde i fabrikerede dele.

Akash Garg, en ph.d. studerende i maskinteknik og Saigopalakrishna Yerneni, en postdoc i kemiteknik, udviklede processen og gennemførte undersøgelser under ledelse af Burak Ozdoganlar, Philip LeDuc og Phil Campbell, professorer i mekanisk og biomedicinsk teknik.

"Ved at bruge vores 3D-isproces kan vi fremstille isskabeloner i mikroskala med glatte vægge og forgrenede strukturer med jævne overgange. Disse kan efterfølgende bruges til at fremstille mikroskaladele med veldefinerede indre hulrum," sagde Garg.

Som det mest udbredte stof på jordens overflade og den primære byggesten i enhver levende organisme, er vand usædvanligt velegnet til brug i bioingeniørapplikationer. Den enkle og hurtige faseovergang af vand til is giver spændende muligheder for at bruge vand som et miljøvenligt konstruktionsmateriale.

"Det bliver ikke mere biokompatibelt end vand," sagde Garg.

Holdet bruger de udskrevne isstrukturer som offerskabeloner til "omvendt støbning" eller 3D-print ud og ind. Isstrukturerne er nedsænket i væske- eller gelformen af ​​et afkølet strukturmateriale, såsom harpiks. Efter at materialet stivner eller er hærdet, fjernes vandet. Til dette formål kan isen smeltes for at evakuere vandet. Alternativt kan isen sublimeres ved at omdanne den til vanddamp uden at omdanne den til flydende vand. Denne evne til let at sublimere isen giver mulighed for nem og "skånsom" fjernelse efter støbning og størkning af det omgivende strukturelle materiale.

Et 3D-printsystem med høj opløsning bruges til at afsætte vanddråber på en -35 ^o C specialbygget temperaturstyret platform, der hurtigt forvandler vandet til is. Ved at modulere udstødningsfrekvensen af ​​vanddråberne og synkronisere den med scenens bevægelser, muliggør den nye proces udskrivning af forgrenede geometrier med glatte overflader og kontinuerlige variationer i diameter med jævne overgange.

Forskerne demonstrerer dette ved at udskrive flere komplekse isgeometrier, såsom et træ, en helix omkring en pæl og endda en halvanden millimeter høj blækspruttefigur. Vandets hurtige faseændring og isens styrke muliggjorde freeform 3D-print af isstrukturer uden at kræve tidskrævende lag-for-lag-print eller støttestrukturer.

Eksperimentelle undersøgelser blev udført for at bestemme udskrivningsvejen, bevægelsesstadiets hastighed og dråbefrekvenser for på reproducerbar måde at fremstille glatte isstrukturer med lige, skrå, forgrenede og hierarkiske geometrier.

"At kontrollere så mange parametre var udfordrende," forklarede Garg. "Vi byggede gradvist op i kompleksitet."

"Dette er en fantastisk præstation, der vil bringe spændende fremskridt," kommenterede Ozdoganlar. "Vi mener, at denne tilgang har et enormt potentiale til at revolutionere vævsteknologi og andre områder, hvor der kræves miniaturestrukturer med komplekse kanaler, såsom til mikrofluidik og blød robotteknologi."

Fakultetets forskere hos Carnegie Mellon arbejder ofte sammen på tværfaglige teams for at løse sådanne tekniske og biologiske udfordringer.

"En af de vidunderlige dele af Carnegie Mellon er at samle mennesker fra mange forskellige discipliner for at udvikle nye tilgange og løse problemer på unikke nye måder, hvilket er præcis, hvad der skete her for at udvikle disse spændende resultater," sagde LeDuc.

The researchers acknowledged the great contribution of the late Lee Weiss, who originally constructed the high-resolution 3D printing system. Weiss was a professor in the College of Engineering and School of Computer Science, as well as a founding member of Carnegie Mellon's Robotics Institute.

The study was published in Advanced Science . While adoption of the 3D ice process for engineering applications such as creating pneumatic channels for soft robotics could be available in as little as a year, its clinical use for tissue engineering will take more time. + Udforsk yderligere

Using colloidal nanodiscs for 3D bioprinting tissues and tissue models