Ny højhastighedsmikroskala 3D-printteknik

3D-printede mikroskopiske partikler, så små, at de for det blotte øje ligner støv, har anvendelser i lægemiddel- og vaccinelevering, mikroelektronik, mikrofluidik og slibemidler til kompliceret fremstilling. Behovet for præcis koordinering mellem lyslevering, scenebevægelse og harpiksegenskaber gør skalerbar fremstilling af sådanne brugerdefinerede mikroskala-partikler udfordrende. Nu har forskere ved Stanford University introduceret en mere effektiv behandlingsteknik, der kan udskrive op til 1 million meget detaljerede og tilpasselige mikroskala-partikler om dagen.

"Vi kan nu skabe meget mere komplekse former ned til mikroskopisk skala, ved hastigheder, der ikke tidligere har været vist for partikelfremstilling, og ud af en lang række materialer," sagde Jason Kronenfeld, Ph.D. kandidat i DeSimone-laboratoriet i Stanford og hovedforfatter af papiret, der beskriver denne proces, offentliggjort i dag i Nature .

Dette arbejde bygger på en printteknik kendt som kontinuerlig væskegrænsefladeproduktion eller CLIP, introduceret i 2015 af DeSimone og kolleger. CLIP bruger UV-lys, projiceret i skiver, til hurtigt at hærde harpiks til den ønskede form. Teknikken er afhængig af et iltgennemtrængeligt vindue over UV-lysprojektoren. Dette skaber en "død zone", der forhindrer flydende harpiks i at hærde og klæber til vinduet. Som et resultat kan sarte træk helbredes uden at rive hvert lag fra et vindue, hvilket fører til hurtigere partikeludskrivning.

"At bruge lys til at fremstille genstande uden forme åbner en helt ny horisont i partikelverdenen," sagde Joseph DeSimone, Sanjiv Sam Gambhir-professor i translationel medicin ved Stanford Medicine og den tilsvarende forfatter til papiret. "Og vi tror, ​​at det at gøre det på en skalerbar måde fører til muligheder for at bruge disse partikler til at drive fremtidens industrier. Vi er spændte på, hvor dette kan føre hen, og hvor andre kan bruge disse ideer til at fremme deres egne ambitioner."

Rul for at rulle

Processen, som disse forskere opfandt til masseproduktion af unikt formede partikler, der er mindre end bredden af ​​et menneskehår, minder om et samlebånd. Det starter med en film, der omhyggeligt spændes og derefter sendes til CLIP-printeren. Ved printeren udskrives hundredvis af figurer på én gang på filmen, og derefter bevæger samlebåndet sig for at vaske, hærde og fjerne figurerne – trin, der alle kan tilpasses baseret på den involverede form og materiale.

Til sidst rulles den tomme film op igen, hvilket giver hele processen navnet roll-to-roll CLIP eller r2rCLIP. Før r2rCLIP skulle en batch af printede partikler behandles manuelt, en langsom og arbejdskrævende proces. Automatiseringen af ​​r2rCLIP muliggør nu hidtil usete fremstillingshastigheder på op til 1 million partikler om dagen.

Hvis dette lyder som en velkendt form for fremstilling, er det med vilje.

"Du køber ikke ting, du ikke kan lave," sagde DeSimone, som også er professor i kemiteknik på School of Engineering. "De værktøjer, som de fleste forskere bruger, er værktøjer til at lave prototyper og testsenge og til at bevise vigtige pointer. Mit laboratorium laver translationel fremstillingsvidenskab - vi udvikler værktøjer, der muliggør skalering. Dette er et af de gode eksempler på, hvad det fokus har betydet for os."

Der er afvejninger i 3D-print af opløsning kontra hastighed. For eksempel kan andre 3D-printprocesser udskrive meget mindre - på nanometerskalaen - men er langsommere. Og selvfølgelig har makroskopisk 3D-print allerede fået fodfæste (bogstaveligt talt) i massefremstilling, i form af sko, husholdningsartikler, maskindele, fodboldhjelme, tandproteser, høreapparater og meget mere. Dette arbejde adresserer muligheder i mellem disse verdener.

"Vi navigerer efter en præcis balance mellem hastighed og opløsning," sagde Kronenfeld. "Vores tilgang er udpræget i stand til at producere output i høj opløsning og samtidig bevare det produktionstempo, der kræves for at imødekomme de partikelproduktionsmængder, som eksperter anser for essentielle til forskellige applikationer. Teknikker med potentiale for translationel påvirkning skal kunne tilpasses fra forskningslaboratoriets skala til den af industriel produktion."

Hård og blød

Forskerne håber, at r2rCLIP-processen får en bred adoption af andre forskere og industrien. Ud over det mener DeSimone, at 3D-print som et felt hurtigt udvikler sig tidligere spørgsmål om processen og mod ambitioner om mulighederne.

"r2rCLIP er en grundlæggende teknologi," sagde DeSimone. "Men jeg tror på, at vi nu går ind i en verden, der fokuserer på selve 3D-produkter mere end på processen. Disse processer bliver tydeligt værdifulde og nyttige. Og nu er spørgsmålet:Hvad er de højværdiapplikationer?"

Forskerne har på deres side allerede eksperimenteret med at fremstille både hårde og bløde partikler, lavet af keramik og af hydrogeler. Den første kunne se anvendelser inden for fremstilling af mikroelektronik og sidstnævnte i lægemiddellevering i kroppen.

"Der er en bred vifte af applikationer, og vi er lige begyndt at udforske dem," sagde Maria Dulay, seniorforsker i DeSimone-laboratoriet og medforfatter af papiret. "Det er helt ekstraordinært, hvor vi er med denne teknik."

Flere oplysninger: Jason M. Kronenfeld et al., Roll-to-roll, højopløsnings 3D-print af formspecifikke partikler, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07061-4

Leveret af Stanford University