یک تکنیک جدید پرینت سه بعدی میکرو مقیاس با سرعت بالا

ذرات میکروسکوپی پرینت سه بعدی آنقدر کوچک که با چشم غیرمسلح شبیه گرد و غبار به نظر می رسند، کاربردهایی در تحویل دارو و واکسن، میکروالکترونیک، میکروسیال و مواد ساینده برای تولید پیچیده دارند. با این حال، نیاز به هماهنگی دقیق بین تحویل نور، حرکت مرحله، و خواص رزین، تولید مقیاس پذیر چنین ذرات سفارشی شده با اندازه میکرو را چالش برانگیز می کند. اکنون محققان دانشگاه استنفورد روش پردازش کارآمدتری را معرفی کرده‌اند که می‌تواند تا 1 میلیون ذره با جزئیات بسیار دقیق و قابل تنظیم در مقیاس میکرو را در روز چاپ کند.

جیسون کروننفلد، عضو فوق دکتری در آزمایشگاه DeSimone و نویسنده اصلی دانشگاه استنفورد، می‌گوید: «اکنون می‌توانیم اشکال بسیار پیچیده‌تری را در مقیاس میکروسکوپی، با سرعت‌هایی که قبلاً نشان داده نشده بود که ذرات را تولید می‌کنند، و از طیف وسیعی از مواد ایجاد کنیم. از مقاله ای که این روند را توصیف می کند، امروز در طبیعت.

این کار بر اساس تکنیک چاپ معروف به ساخت رابط مایع پیوسته یا CLIP است که در سال 2015 توسط DeSimone و همکارانش پیشگام شد. CLIP از نور ماوراء بنفش پرتاب شده بر روی برش ها استفاده می کند تا رزین را به سرعت به شکل دلخواه سخت کند. این تکنیک بر یک پنجره قابل نفوذ اکسیژن در بالای پروژکتور نور UV متکی است. این یک “منطقه مرده” ایجاد می کند که از سخت شدن رزین مایع و چسبیدن آن به پنجره جلوگیری می کند. در نتیجه، عناصر ظریف را می توان بدون پاره شدن هر لایه از پنجره، درمان کرد و در نتیجه چاپ ذرات سریعتر انجام شد.

جوزف دسیمون، پروفسور Sanjiv Sam Gambhir در پزشکی ترجمه در Stanford Medicine و نویسنده مقاله می گوید: «استفاده از نور برای تولید اجسام بدون قالب، افق کاملا جدیدی را در دنیای ذرات باز می کند. و ما فکر می کنیم که انجام آن به روشی مقیاس پذیر منجر به فرصت هایی برای استفاده از این ذرات برای تامین انرژی صنایع آینده می شود. ما در مورد اینکه این به کجا می‌تواند منجر شود و دیگران می‌توانند از این ایده‌ها برای پیشبرد آرمان‌های خود استفاده کنند، هیجان‌زده هستیم.»

رول به رول

فرآیندی که این محققان برای تولید انبوه ذراتی با شکل منحصر به فرد که کوچکتر از عرض موی انسان هستند ابداع کردند، یادآور خط مونتاژ است. با یک فیلم شروع می شود که به دقت کشیده می شود و سپس به چاپگر CLIP ارسال می شود. در چاپگر، صدها شکل به طور همزمان روی فویل چاپ می‌شوند و سپس خط مونتاژ برای شستن، سفت شدن و حذف اشکال به جلو حرکت می‌کند – مراحلی که می‌توان بر اساس شکل و مواد مورد استفاده سفارشی کرد. در نهایت، فیلم خالی به عقب برگردانده می شود و به کل فرآیند نام CLIP به رول یا r2rCLIP داده می شود. قبل از r2rCLIP، دسته ای از ذرات چاپ شده باید به صورت دستی پردازش شوند، فرآیندی کند و پر زحمت. اتوماسیون r2rCLIP اکنون نرخ تولید بی سابقه تا 1 میلیون ذره در روز را امکان پذیر می کند.

اگر این شکل تولید آشنا به نظر می رسد، عمدی است.

دسیمون که همچنین استاد مهندسی شیمی در دانشکده مهندسی است، می‌گوید: «شما چیزهایی را نمی‌خرید که نتوانید بسازید. ابزاری که اکثر محققان از آن استفاده می کنند، ابزارهایی برای نمونه سازی و بسترهای آزمایشی و برای اثبات نکات مهم هستند. آزمایشگاه من علم تولید ترجمه را انجام می دهد – ما ابزارهایی را توسعه می دهیم که مقیاس بندی را امکان پذیر می کند. این یکی از نمونه های عالی از معنای آن تمرکز برای ما است.”

در پرینت سه بعدی تفاوت هایی بین وضوح و سرعت وجود دارد. به عنوان مثال، سایر فرآیندهای چاپ سه بعدی می توانند بسیار کوچکتر – در مقیاس نانومتر – چاپ کنند اما کندتر هستند. و البته، چاپ سه بعدی ماکروسکوپی در حال حاضر (به معنای واقعی کلمه) در تولید انبوه در قالب کفش، کالاهای خانگی، قطعات ماشین آلات، کلاه ایمنی فوتبال، پروتزهای مصنوعی، سمعک و غیره جای گرفته است. این اثر به بررسی احتمالات بین این دنیاها می پردازد.

کروننفلد گفت: «ما در حال ایجاد تعادل بین سرعت و وضوح هستیم. “رویکرد ما قادر به تولید نتایج با وضوح بالا و در عین حال حفظ سرعت تولید مورد نیاز برای برآوردن حجم تولید ذرات است که کارشناسان برای انواع کاربردها ضروری می دانند.” فنون با پتانسیل تأثیر ترجمه باید از مقیاس آزمایشگاه تحقیقاتی تا تولید صنعتی قابل انطباق باشد.

سخت و نرم

محققان امیدوارند که فرآیند r2rCLIP مورد پذیرش گسترده سایر محققان و صنعت قرار گیرد. فراتر از آن، DeSimone معتقد است چاپ سه بعدی به عنوان یک زمینه به سرعت در حال تغییر سوالات گذشته در مورد فرآیند و به سمت جاه طلبی در مورد احتمالات است.

DeSimone گفت: “r2rCLIP یک فناوری اساسی است.” اما من معتقدم که ما اکنون وارد دنیایی می شویم که بیشتر بر روی خود محصولات سه بعدی متمرکز است تا فرآیند. این فرآیندها به وضوح ارزشمند و مفید می شوند. و اکنون سوال این است: برنامه های کاربردی با ارزش کدامند؟

به نوبه خود، محققان قبلاً با تولید ذرات سخت و نرم ساخته شده از سرامیک و هیدروژل آزمایش کرده اند. اولی ممکن است در تولید میکروالکترونیک کاربرد داشته باشد و دومی در رساندن دارو به بدن.

ماریا دولی، دانشمند تحقیقاتی ارشد در آزمایشگاه DeSimone و یکی از نویسندگان این گزارش، گفت: طیف وسیعی از کاربردها وجود دارد، و ما تازه شروع به کشف آنها کرده ایم. “اینکه چقدر با این تکنیک پیش رفته ایم بسیار خارق العاده است.”