جسيمات دقيقة مطبوعة ثلاثية الأبعاد قد تغير الطب والإلكترونيات

تحدث ثورات في عالم الطباعة ثلاثية الأبعاد بوتيرة سريعة. في وقت سابق من هذا الشهر، شركة في ألمانيا أنشأت منزل الموجة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد. إنه أكبر مبنى مطبوع ثلاثيًا في أوروبا، بمساحة 600 م² (6,600 قدم²)، وله مظهر غير عادي حيث يتميز بتصميم موجي لا يمكن تحقيقه عبر طرق البناء التقليدية. وفرت تقنية الطباعة الإنشائية ثلاثية الأبعاد حرية التصميم واستغرق الأمر حوالي 140 ساعة.

في الأسبوع الماضي فقط، تم افتتاح أول مسجد مطبوع ثلاثيًا في العالم، يمتد على مساحة 5,600 م²، في جدة، المملكة العربية السعودية. استغرق بناء المسجد ستة أشهر.

عندما يتعلق الأمر بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، كشفت شركة ICON التي تتخذ من تكساس مقرًا لها مؤخراً عن طابعتها ثلاثية الأبعاد المثبتة على ذراع روبوتية تُدعى فينكس. يمكن لهذا الطابع إنشاء هياكل متعددة الطوابق بنظام مغلق بالكامل من مزيج منخفض الكربون. بارتفاع 70 قدمًا، يتيح فينكس بناءً أعلى (حتى 27 قدمًا) مقارنة بطابع ICON الحالي، فولكان، الذي يمتلك نظام جرن مع هيكل أقرب إلى الأرض.

كما أعلنت الشركة عن تطوير مزيج مادة جديدة يُدعى CarbonX، والذي يُوصف بأنه “أقل نظام بناء سكني كربوني جاهز للاستخدام على نطاق واسع”. علاوة على ذلك، دمجت ICON الذكاء الاصطناعي في أنظمتها بحيث يمكن لأي شخص تصميم مخططات منازل قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد عبر منصة فيتروفيوس.

لكن هذا ليس كل شيء. في الشهر الماضي، سمحت الطباعة ثلاثية الأبعاد بإنشاء عيون اصطناعية ذات مظهر واقعي للغاية في 90 دقيقة فقط، مقارنةً بـ 8 ساعات عادةً يستغرقها فني ماهر لإنتاج واحدة يدويًا. وهناك أيضًا طباعة ثلاثية الأبعاد للطائرات بدون طيار، والوقود، والمتفجرات.

تتقدم الطباعة ثلاثية الأبعاد، كما أشرنا أعلاه، بسرعة ملحوظة، وهذا منطقي نظرًا للارتفاع الهائل في الاهتمام بهذا المجال. يعود هذا الاهتمام المتزايد إلى قدرة التقنية على صنع أشكال مخصصة وطباعة أنواع متعددة من المواد في جزء واحد، مما يوفر المال والمواد مع الحفاظ على صداقة البيئة.

المعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي، تتضمن الطباعة ثلاثية الأبعاد تراكم مادة طبقة بط layer باستخدام طابعة لبناء كائن. ومع ذلك، فهي ليست خالية من التحديات، خاصةً فيما يتعلق بحدود المواد، تشكيل بعض المواد، الحجم المحدود، عدم دقة التصميم، وغيرها.

لذا، يعمل العلماء على إيجاد طرق لتجاوز هذه التحديات وجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد أكثر فاعلية وقابلة للتطبيق على نطاق واسع.

مؤخرًا، وضعت دراسة عملية جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد على المستوى المجهري تُنتج جسيمات بمعدل يصل إلى مليون جزيء يوميًا، في تقريبًا أي شكل للاستخدام في التصنيع، والطب، والبحث.

جسيمات دقيقة مطبوعة ثلاثية الأبعاد

نُشرت الدراسة في مجلة Nature، وتُسمى الدراسة “الطباعة ثلاثية الأبعاد المتواصلة من لف إلى لف، عالية الدقة لجسيمات ذات أشكال محددة”، وأُجريت بواسطة باحثين من جامعة ستانفورد.

من بين المشاركين في الدراسة جيسون م. كروننفيلد، طالب دكتوراه في قسم الكيمياء بستانفورد، بينما يعمل لوكاس روثر وماريا ت. دولاي في قسم الأشعة. كل من ماكس أ. ساکون وإلياس م. دي سيمون ينتميان إلى قسم الأشعة وكذلك إلى قسم الهندسة الكيميائية.

في الدراسة، لاحظ الباحثون أن تصنيع الجسيمات يكتسب شعبية بفضل تطبيقاته المتنوعة في الميكروإلكترونيات، والمواد الكاشطة، والأنظمة الحبيبية، والميكروفلويديك، والهندسة الحيوية، وتوصيل الأدوية واللقاحات.

على الرغم من أن هذه الجسيمات المطبوعة ثلاثيًا صغيرة جدًا لها مجموعة واسعة من التطبيقات، فإنها تتطلب تنسيقًا دقيقًا بين حركة المنصة، وإضاءة الضوء، وخصائص الراتنج (مادة لزجة جدًا). يجعل ذلك من الصعب تحقيق تصنيع واسع النطاق لمثل هذه الجسيمات الدقيقة المخصصة.

وبالتالي، قدم باحثو ستانفورد تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة، قابلة للتوسع لتصنيع الجسيمات ذات الأشكال المحددة. تعتمد هذه التقنية على إنتاج الواجهة السائلة المتواصلة من لف إلى لف (r2rCLIP)، وتُعد أكثر كفاءة في طباعة كميات هائلة من الجسيمات الدقيقة القابلة للتخصيص والمفصلة يوميًا.

وفقًا للمؤلف الرئيسي للدراسة، كروننفيلد، مرشح دكتوراه في مختبر دي سيمون، تتيح هذه التقنية إنشاء أشكال أكثر تعقيدًا على المستوى المجهري، من مجموعة واسعة من المواد، وبسرعات لم تُشهد من قبل في تصنيع الجسيمات.

يبني البحث على تقنية الطباعة المعروفة باسم إنتاج الواجهة السائلة المتواصلة (CLIP)، التي تم تقديمها قبل ما يقرب من عقد من الزمن، في عام 2015، بواسطة دي سيمون وزملائه.

تستخدم CLIP ضوءًا فوق بنفسجيًا وتُسقطه على شرائح لتصلب الراتنج بسرعة إلى الشكل المطلوب. ما يميز هذه التقنية هو وجود نافذة فوق جهاز الإسقاط تسمح بمرور الأكسجين. تمنع هذه النافذة القابلة لاختراق الأكسجين التلاصق بين الراتنج السائل والنافذة بإنشاء ما يُسمى “منطقة ميتة”. وبالتالي، يمكننا تصلب الميزات الدقيقة دون تمزيق كل طبقة من النافذة، مما يؤدي إلى طباعة أسرع للجسيمات.

قال المؤلف المشارك دي سيمون، أستاذ سانجيف سام جامبير للطب الانتقالي في ستانفورد والمسؤول عن عدة إنجازات في مجالات الأجهزة الطبية، والنانوميديسن، والطباعة ثلاثية الأبعاد:

“استخدام الضوء لتصنيع الأجسام دون قوالب يفتح آفاقًا جديدة تمامًا في عالم الجسيمات.”

تحقيق ذلك على مستوى قابل للتوسع يمكن أن يوفر فرصًا إضافية لاستخدام هذه الجسيمات “لدفع صناعات المستقبل”، أضاف.

انقر هنا لتعرف ما يجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد سوقًا محتملًا بقيمة 500 مليار دولار.

r2rCLIP لتمكين الإنتاج الضخم

استنادًا إلى تقنية CLIP، أنشأ الباحثون عملية جديدة لإنتاج كميات كبيرة من الجسيمات النانوية ذات الأشكال الفريدة. أولاً، شدوا فيلمًا بعناية وأرسلواه إلى طابعة CLIP، حيث طُبع مئات الأشكال على الفيلم في آن واحد.

بعد ذلك، يُنقل إلى مرحلة الغسيل، والتصلب، وإزالة الأشكال. يمكن تخصيص جميع هذه الخطوات حسب المادة المستخدمة والشكل المعني. وفي النهاية يُلف الفيلم الفارغ مرة أخرى، ومن هنا جاء اسم تقنية اللف إلى اللف CLIP، أو r2rCLIP.

استخدام بصريات بدقة ميكرونية من خانة الأرقام الأحادية، إلى جانب لف مستمر للفيلم بدلاً من منصة ثابتة، مكن الباحثين من تحقيق تصنيع سريع قابل للتبديل وكذلك رفع الجسيمات من مواد مختلفة وبهندسات أكثر تعقيدًا.

وفقًا للدراسة، شملت الهندسات تلك التي لا يمكن تحقيقها باستخدام تقنيات القوالب المتقدمة، مما يبرز القدرات الفريدة لنهج الفريق.

عُرضت كل من الأشكال القابلة للتشكيل وغير القابلة للتشكيل لتقنية r2rCLIP بأحجام فوكسل (عينة واحدة على شبكة ثلاثية الأبعاد منتظمة) قدرها 2.0 × 2.0 µm² في الطباعة، وبسمك غير مدعوم يبلغ 1.1 ± 0.3 µm.

قبل تقنية اللف إلى اللف CLIP، كان يجب معالجة دفعة من الجسيمات المطبوعة يدويًا، وهو عملية بطيئة تتطلب جهدًا بدنيًا كبيرًا. الآن تسمح أتمتة r2rCLIP بتصنيع ما يصل إلى 1,000,000 جزيء كل يوم.

حقق عملية طباعة الجسيمات أتمتة كاملة من خلال استبدال صفيحة البناء الثابتة في طابعة CLIP بنظام فيلم مستمر، معياري، من لف إلى لف. يتيح ذلك معالجة ما بعد الطباعة تلقائيًا تشمل التنظيف، والتصلب اللاحق، ورفع الجسيمات (الحصاد).

في ورقتهم، أشار الفريق إلى أن ميزة كبيرة لاستخدام تقنية اللف إلى اللف CLIP لتصنيع الجسيمات هي عمليتها الفطرية الخالية من القوالب. وهذا يمكّن من إنتاج مجموعة واسعة من أشكال الجسيمات دون الحاجة لتغيير التخطيط.

عند الحديث عن تصنيع الجسيمات، تنطوي الأساليب المختلفة على مقايضات بين القابلية للتوسع، والسرعة، والاتساق، وخصائص المادة، والتحكم الهندسي. على سبيل المثال، بينما يمكن لبعض العمليات الطباعة على مقياس النانومتر، فإنها تميل إلى أن تكون أبطأ.

“نحن نتنقل بين توازن دقيق بين السرعة والدقة”، قال كروننفيلد. أشار إلى أن تقنيتهم “قادرة بتميز” على تصنيع مخرجات عالية الدقة، لكنها أيضًا تحافظ على السرعة اللازمة لتلبية أحجام إنتاج الجسيمات المطلوبة لتطبيقات مختلفة.

أضاف:

“يجب أن تكون التقنيات ذات إمكانات تأثير انتقالي قابلة للتكيف عمليًا من مستوى مختبر البحث إلى مستوى الإنتاج الصناعي.”

تطبيقات واسعة

البحث، الممول من برنامج زمالة البحث الخريجي للمعهد الوطني للعلوم وبرنامج مؤسسة بيل وميليندا غيتس، يهدف إلى أن يُعتمد على نطاق واسع من قبل باحثين آخرين والصناعة.

مع تطور الطباعة ثلاثية الأبعاد بسرعة، تُعد r2rCLIP هنا “تقنية أساسية”، وفقًا لدي سيمون، المؤسس المشارك لمركز ستانفورد للتوجيه STEMM، والشريك المشارك لمركز كاناري في ستانفورد للكشف المبكر عن السرطان، وزميل هيئة التدريس في Sarafan ChEM-H.

مع ذلك، وفقًا لدي سيمون، يبدأ القطاع بالتركيز على المنتجات ثلاثية الأبعاد بدلاً من هذه العمليات، التي “تصبح واضحة القيمة والفائدة”. لذا السؤال الآن هو:

“ما هي التطبيقات ذات القيمة العالية؟”

حسب الدراسة، تمكّن الجسيمات الدقيقة ذات التصاميم المعقدة من الاندماج المباشر ضمن التطبيقات التحليلية، الطبية المتقدمة، وتطبيقات المواد المتطورة.

قام الباحثون أنفسهم بتجربة إنتاج كل من الجسيمات الناعمة والصلبة، المصنوعة من الهيدروجيل، والتي يمكن أن تُستَخدم في توصيل الأدوية داخل الجسم، والسيراميك، الذي يمكن استخدامه في تصنيع الميكروإلكترونيات.

باستخدامها في إنتاج جسيمات الهيدروجيل، يصبح من الممكن ملء هذه الجسيمات لتحقيق ملفات إطلاق قابلة للتعديل، أو تدرجية، أو نابضة في حقن واحد. استكشفت العديد من الدراسات سابقًا إنشاء أنظمة راتنجات فوتوبوليمر مناسبة وفحصت تأثير شكل المادة، وحجمها، وتوافقها الحيوي على التمركز والتوصيل. أدى ذلك إلى إنشاء أطر حيوية ومجالات توصيل، مما فتح آفاقًا عديدة لتصنيع جسيمات هيدروجيل لتوصيل الأدوية رغم عدم وجود عملية تصنيع واسعة النطاق قابلة للتبديل.

في هذا السياق، صَنَع الفريق مكعبات هيدروجيل بحجم وحدة 400 µm وملأها يدويًا بحوالي ثمانية نانولتر من الحمولة النموذجية بعد الطباعة، ثم غطاها بغطاء هيدروجيل. سلطت الدراسة الضوء على إمكانية وجود لوحة برمجية لإطلاق الحمولة من خلال أبحاث مستقبلية بالاعتماد على دراسات سابقة حول حركيات مركبات توصيل الأدوية واستغلال الخصائص القابلة للتعديل للوزن الجزيئي وسماكة الجدار.

يمكن للتنوع المادي والميكانيكي، من السيراميك إلى الهيدروجيل، أن يساعد أيضًا في إنشاء مواد ذكية. لذا، من خلال إظهار إمكانات التصنيع عبر نطاق واسع كهذا، فإن نهج إنتاج الجسيمات القابل للتوسع يمتلك أيضًا تطبيقات محتملة في الأدوات الدقيقة والإلكترونيات.

من ناحية أخرى، فإن الإنتاجية العالية للتقنية (r2rCLIP) لها تداعيات مباشرة على الإنتاج الصناعي على نطاق واسع للأجهزة الدقيقة مثل الروبوتات الدقيقة وأنظمة توصيل الحمولة. وهذا يدعم بشكل خاص إنتاج المواد السيراميكية.

باستخدام راتنجات ما قبل السيراميك لتصنيع جسيمات سيراميك تقنية على نطاق واسع، تقول الدراسة إن ذلك قد يكون له تطبيقات محتملة في الأنظمة الميكروإلكترونية الميكانيكية، وتقنيات التسوية الميكانيكية كمكونات سلاسل، وجسيمات موصلة ستسمح بتطبيقات صناعية مثل الاتصالات والرعاية الصحية.

وفقًا لدولاي، عالِم أبحاث كبير:

“هناك مجموعة واسعة من التطبيقات، ونحن فقط في بداية استكشافها. إنه أمر استثنائي حقًا ما وصلنا إليه بهذه التقنية.”

الشركات التي تستخدم أساليب مبتكرة في التصنيع الإضافي

الآن، دعونا نلقي نظرة على عدد من الشركات التي تقود الطريق في الطباعة ثلاثية الأبعاد:

#1. HP Inc.

اسم معروف في صناعة الطباعة التقليدية، قامت HP Inc. (HPQ ) بالعديد من الخطوات في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي تشمل تقنية Multi Jet Fusion (MJF) المصممة للإنتاج الصناعي. توفر طباعة سريعة وتتيح التحكم في خصائص كل فوكسل على حدة. تشمل مجموعة Jet Fusion للإنتاج الصناعي والنمذجة السلسلة 5600 Series لتحسين التطبيقات للإنتاج المرن على نطاق واسع 1، 5400 Series لتطبيقات الجودة البيضاء، 5200 Series لإنتاج أجزاء ثلاثية الأبعاد نهائية ذات قيمة عالية، و4200 لتحسين الإنتاجية والتكلفة.

هذا الأسبوع، تخطط HP لعرض أجزاء مطبوعة ثلاثيًا باستخدام مادة جديدة لها، PA 12 S، في مؤتمر AM Forum السنوي في برلين. المادة مخصصة لحلول البوليمر ثلاثية الأبعاد التي تستخدمها الشركة في الصناعات وتوفر مزايا مثل خفض التكلفة وجماليات سطحية ممتازة.

برأس مال سوقي يبلغ 29.83 مليار دولار، تُتداول أسهم الشركة عند 30.66 دولار، بارتفاع 1.1% منذ بداية العام (YTD). سجلت الشركة إيرادات (TTM) قدرها 53.1 مليار دولار، وربحًا لكل سهم (TTM) يبلغ 3.41، ومضاعف سعر السهم إلى الأرباح (TTM) 8.91. تدفع عائد توزيعات بنسبة 3.62%..

#2. Materialise NV

هذه الشركة البلجيكية تقدم مجموعة واسعة من خدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد، بما في ذلك الطباعة المعدنية والبوليمرية. تُعرف الشركة بشكل خاص بخبرتها في قطاع الرعاية الصحية، حيث تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد للزرعات، والأدلة الجراحية، والنماذج التشريحية.

في أواخر العام الماضي، تعاونت شركة ريكو اليابانية، المتخصصة في التصوير والإلكترونيات، مع Materialise لتوفير طباعة ثلاثية الأبعاد في موقع الرعاية للمرضى في المستشفيات الأمريكية، مما سيمكن من إنتاج نماذج تشريحية لتشريح المريض. وفي الشهر الماضي، أطلقت Materialise علاجًا مخصصًا لمفصل الفك الصدغي (TMJ) مطبوعًا ثلاثيًا.

برأس مال سوقي يبلغ 293.56 مليون دولار، تُتداول أسهم الشركة عند 5.36 دولار، بانخفاض أكثر من 24% منذ بداية العام (YTD). سجلت الشركة إيرادات (TTM) قدرها 278.69 مليون دولار، وربحًا لكل سهم (TTM) يبلغ 0.13، ومضاعف سعر السهم إلى الأرباح (TTM) 39.57.

مؤخرًا، أعلنت الشركة عن نتائجها المالية للربع الرابع وكامل عام 2023، حيث ارتفعت إيراداتها بنسبة 4.1% لتصل إلى 65.3 مليون يورو و10.4% لتصل إلى 256.1 مليون يورو، على التوالي، رغم “الظروف الاقتصادية الجيوسياسية المتقلبة”.

كما أفادت Materialise بأن لديها 128 مليون يورو نقدًا وما يعادله، وهو ما قالته الرئيسة التنفيذية بريجيت دي فيت-فايثن، إلى جانب تمويل إضافي مؤمن، يجعلها “في موقع جيد” للاستمرار في تقديم حلول مبتكرة للمنتجات والبرمجيات ثلاثية الأبعاد.

الخلاصة

كما أشرنا أعلاه، تتمتع الطباعة ثلاثية الأبعاد بفوائد عظيمة في عدة صناعات، بما في ذلك الطبية، والسيارات، والفضاء، والسلع الاستهلاكية، والمجوهرات، والدفاع والعسكرية. بينما تشهد بالفعل تزايدًا في الفضول والاستخدام، فإن تبنيها سيستمر في النمو خلال السنوات القادمة مع مزيد من الأبحاث التي تسمح بإنتاج كائنات على نطاق واسع. مستقبل الطباعة ثلاثية الأبعاد ببساطة مشرق، مظهرًا الوعد بثورة في التصنيع وخلق مستقبل أكثر مرونة.