3D-printede mikroskopiske partikler kan ændre medicin og elektronik

Revolutioner inden for 3D-printverdenen sker i et hurtigt tempo. Tidligere denne måned lavede et firma i Tyskland skabte Wave House ved hjælp af 3D-print. Det er Europas største 3D-printede bygning, måler 600 m² (6.600 ft²), og har et usædvanligt udseende, idet den har et bølgemønster, som ikke kunne realiseres med konventionelle byggemetoder. 3D-bygningsprintteknologien gav designfrihed og tog omkring 140 timer.

Allerede i sidste uge blev verdens første nogensinde 3D-printede moské, der dækker et område på 5.600 m², åbnet i Jeddah, Saudi-Arabien. Det tog seks måneder at færdiggøre moskeens konstruktion.

Når det gælder 3D-printteknologi, har det Texas-baserede ICON for nylig præsenteret sin robotarm-monterede 3D-printer kaldet Phoenix. Denne printer kan skabe fler-etagers strukturer med fuldt lukkede systemer fra en lavkulstofblanding. Med en højde på 70 fod giver Phoenix mulighed for højere konstruktion (op til 27 fod) end ICONs nuværende printer, Vulcan, som har et gantriesystem med chassiset tættere på jorden. 

Firmaet har også annonceret udviklingen af en ny materialeblanding kaldet CarbonX, som er “det laveste kulstofresidentialbygningssystem, klar til at blive brugt i stor skala.” Desuden har ICON integreret AI i sine systemer, så alle kan designe 3D-printbare boligskemaer via deres Vitruvius-platform.

Men det er ikke alt. I sidste måned tillod 3D-print tillod fremstillingen af ekstremt realistisk udseende protesøjne på kun 90 minutter, i modsætning til de sædvanlige 8 timer, det tager en dygtig tekniker at producere et manuelt. Derudover findes der 3D-print af droner, brændstoffer og sprængstoffer. 

3D-print, som vi har nævnt ovenfor, udvikler sig tydeligt i et hurtigt tempo, hvilket giver mening, da interessen for dette felt stiger enormt. Den voksende interesse skyldes teknikkens evne til at lave skræddersyede former og printe flere materialetyper i én del, hvilket sparer penge og materiale, samtidig med at den er miljøvenlig.

Også kaldet additiv fremstilling, involverer 3D-print at stable et materiale lag for lag ved hjælp af en printer for at bygge et objekt. Det er dog ikke uden udfordringer, især med hensyn til begrænsede materialer, formning af visse materialer, begrænset størrelse, designunøjagtigheder og mere.

Så arbejder forskere på at finde måder at overvinde disse udfordringer og gøre 3D-print endnu mere effektivt og anvendeligt i stor skala.

For nylig udarbejdede en undersøgelse en ny proces til 3D-print på mikroskala, som fremstiller partikler med en hastighed på op til 1 million om dagen, i næsten enhver form til brug i fremstilling, medicin og forskning. 

3D-print af mikroskopiske partikler

Udgivet i Nature, studiet studie hedder “Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles” og udført af forskere fra Stanford University. 

De, der deltog i studiet, inkluderer Jason M. Kronenfeld, en Ph.D.-studerende fra Stanfords kemisk afdeling, mens Lukas Rother og Maria T. Dulay begge arbejder på Radiologisk afdeling. Både Max A. Saccone og Joseph M. DeSimone tilhører Radiologisk afdeling samt Afdeling for Kemisk Ingeniørkunst.

I undersøgelsen bemærkede forskerne, hvordan partikelfremstilling bliver populær takket være dens forskellige anvendelser inden for mikroelektronik, slibemidler, granulære systemer, mikrofluidik, bioingeniørkunst og levering af lægemidler og vacciner.

Selvom disse ekstremt små 3D-printede partikler har et bredt anvendelsesområde, kræver de præcis koordinering mellem scenebevægelser, lyslevering og resin (et meget klæbrigt stof) egenskaber. Dette gør skalerbar fremstilling af sådanne tilpassede mikroskala-partikler vanskelig at opnå. 

Som sådan introducerede Stanford-forskerne en højopløsnings-3D-printteknik, som er skalerbar til fremstilling af formspecifikke partikler. Denne behandlingsmetode, som er baseret på roll-to-roll kontinuerlig flydende grænsefladeproduktion (r2rCLIP), er langt mere effektiv til at printe enorme mængder af tilpasselige og meget detaljerede mikroskala-partikler pr. dag.

Ifølge studiets hovedforfatter, Kronenfeld, en Ph.D.-kandidat i DeSimone-laboratoriet, gør denne teknik det muligt at skabe mere komplekse former på mikroskopisk skala, af et bredt udvalg af materialer, og med hastigheder, der ikke tidligere er set for partikelfremstilling. 

Forskningen bygger på den printteknik, der kaldes kontinuerlig flydende grænsefladeproduktion (CLIP), som blev introduceret for næsten et årti siden, i 2015, af DeSimone og kolleger. 

CLIP bruger UV-lys og projicerer det i lag for hurtigt at hærde resin til den ønskede form. Det, der adskiller denne teknik, er at over UV-lyspjuskeren er der et vindue, der tillader ilt at trænge igennem. Dette iltpermeable vindue forhindrer den flydende resin i at klæbe til det ved at skabe det, der kaldes en “død zone.” Derfor kan vi hærde delikate detaljer uden at rive hvert lag fra vinduet, hvilket resulterer i hurtigere partikelprint.

Medforfatteren DeSimone, som er Sanjiv Sam Gambhir Professor i translational medicin ved Stanford og har været ansvarlig for forskellige gennembrud inden for medicinsk udstyr, nanomedicin og 3D-print, sagde:

“At bruge lys til at fremstille objekter uden forme åbner en helt ny horisont i partikelverdenen.” 

At få det til at ske på et skalerbart niveau kan yderligere give muligheder for at bruge disse partikler “til at drive fremtidens industrier,” tilføjede han.

Klik her for at lære, hvad der gør 3D-print til et potentielt $500 milliarder stort marked.

r2rCLIP til at muliggøre masseproduktion

Baseret på CLIP skabte forskerne en ny proces til masseproduktion af unikt formede nanoskala-partikler. Først spændte de omhyggeligt en film og sendte den til CLIP-printeren, hvor hundredvis af former blev printet på filmen samtidigt.

Derefter overgår den til vask, hærdning og fjernelse af formerne. Alle disse trin kan tilpasses afhængigt af det anvendte materiale og den pågældende form. Den tomme film rulles til sidst op igen, deraf navnet roll-to-roll CLIP, eller r2rCLIP. 

Brugen af enkeltcifrede mikronopløsningsoptik, sammen med en kontinuerlig filmrulle i stedet for en statisk platform, gjorde det muligt for forskerne at opnå hurtig udskiftelig fremstilling samt løsrivelse af partikler fra forskellige materialer og med mere indviklede geometriske former. 

Ifølge studiet omfattede geometrierne dem, der ikke kunne opnås med avancerede formbaserede teknikker, og demonstrerede dermed holdets unikke kapaciteter.

Både de formbare og ikke-formbare former af r2rCLIP blev vist med voxel (en enkelt prøve på et regelmæssigt placeret 3D-gitter) størrelser på 2,0 × 2,0 µm² i print og en uunderstøttet tykkelse på 1,1 ± 0,3 µm. 

Før roll-to-roll CLIP skulle en batch af printede partikler behandles manuelt, hvilket er en langsom proces, der kræver stor fysisk indsats. Automatiseringen af r2rCLIP muliggør nu fremstilling på et hidtil uset niveau, dvs. op til 1.000.000 partikler hver dag.

Partikelprintprocessen opnåede fuld automatisering ved at erstatte CLIP-printerens statiske byggeplade med et kontinuerligt film, modulært roll-to-roll system. Dette muliggør automatiseret in-line efterbehandling, som inkluderer rengøring, efterhærde og løsrivelse af partikler (indsamling). 

I deres papir bemærkede holdet, at en stor fordel ved at bruge deres roll-to-roll CLIP-teknik til partikelfremstilling er den indfødte formfri proces. Dette muliggør produktion af et omfattende udvalg af partikelgeometrier uden at skulle ændre layoutet.

Når det gælder partikelfremstilling, involverer forskellige tilgange afvejninger mellem skalerbarhed, hastighed, ensartethed, materialegenskaber og geometrisk kontrol. For eksempel, mens nogle processer kan printe på nanometerskala, har de en tendens til at være langsommere. 

“Vi navigerer en præcis balance mellem hastighed og opløsning,” sagde Kronenfeld. Hans teknik er, som han bemærkede, “særligt i stand” til at fremstille højopløsningsresultater, men den kan også bevare den hastighed, der er nødvendig for at opfylde partikelproduktionsvolumenene, der kræves til forskellige anvendelser. 

Han tilføjede:

“Teknikker med potentiale for translational indvirkning skal kunne tilpasses fra forskningslaboratoriets skala til industriel produktion på en realistisk måde.” 

Omfattende anvendelser

Forskningen, som blev finansieret af National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program og Bill & Melinda Gates Foundation, har til formål at blive bredt adopteret af andre forskere og industrien.

Med 3D-print, der udvikler sig hurtigt, udgør r2rCLIP her en “grundlæggende teknologi,” sagde DeSimone, som er grundlæggende fakultetsdirektør for Stanfords Center for STEMM Mentorship, meddirektør for Canary Center ved Stanford for tidlig kræftdetektion, og fakultetsfellow ved Sarafan ChEM-H.

Dog, ifølge DeSimone, begynder industrien at fokusere på 3D-produkter snarere end disse processer, som “bliver tydeligt værdifulde og nyttige.” Så spørgsmålet nu er: 

“Hvad er de højværdige anvendelser?”

Ifølge studiet muliggør mikroskopiske partikler med indviklede designs direkte integration i analytiske, biomedicinske og avancerede materialeanvendelser.

Forskerne har selv eksperimenteret med produktionen af både bløde og hårde partikler, lavet af hydrogel, som kan anvendes i lægemiddellevering i kroppen, og keramik, som kan bruges i fremstilling af mikroelektronik.

Ved at bruge dem i produktionen af hydrogelpartikler bliver det muligt at fylde disse partikler for at opnå justerbare, gradient- eller pulserende frigivelsesprofiler i en enkelt injektion. Mange tidligere studier har undersøgt oprettelsen af egnede fotopolymer-resinsystemer og undersøgt indflydelsen af materialernes form, størrelse og biokompatibilitet på lokalisering og levering. Dette førte til oprettelsen af bioscaffolds og leveringsmanifolder, som åbnede mange muligheder for fremstilling af hydrogelpartikler til lægemiddellevering, selvom de ikke involverede en skalerbar, udskiftelig fremstillingsprocedure. 

Her fremstillede holdet hydrogelkuber på 400 µm enhedsstørrelse og fyldte dem manuelt med omkring otte nl af repræsentativ last efter print, efterfulgt af en hydrogeltop. Studiet fremhævede potentialet for en programmerbar palet af lastfrigivelse gennem fremtidig forskning ved at bygge på tidligere studier om kinetik for lægemiddelleveringskøretøjer og udnytte de justerbare egenskaber af molekylvægt og vægtykkelse.

Materialets og den mekaniske alsidighed, fra keramik til hydrogel, kan også hjælpe med at skabe smarte materialer. Så ved at demonstrere fremstillingspotentiale over så bredt spektrum har denne skalerbare partikelproduktionsmetode også potentielle anvendelser i mikroværktøjer og elektronik, tilføjede den. 

Den høje gennemløbshastighed for teknikken (r2rCLIP) har derimod direkte implikationer for industriel produktion af mikroenheder såsom mikrorobotter og lastleveringssystemer. Dette er især understøttende for produktion af keramiske materialer. 

Ved at anvende forceramiske resin til at fremstille tekniske keramiske partikler i masseproduktion, siger studiet, kan det have mulige anvendelser i mikroelektromekaniske systemer, mekaniske planariseringsmetoder som slurry-komponenter, og ledende partikler, der muliggør industrielle anvendelser såsom telekommunikation og sundhedspleje.

Ifølge Dulay, en seniorforsker:

“Der er et bredt udvalg af anvendelser, og vi er kun begyndt at udforske dem. Det er ganske ekstraordinært, hvor vi er med denne teknik.”

Virksomheder, der bruger innovative tilgange til additiv fremstilling

Lad os nu se på et par virksomheder, der fører an inden for 3D-print:

#1. HP Inc.

Et velkendt navn i den traditionelle trykkeribranche, HP Inc. (HPQ ) har foretaget mange skridt inden for 3D-print, som involverer deres Multi Jet Fusion (MJF) teknologi, designet til industriel produktion. Den tilbyder højhastigheds-3D-print og evnen til at kontrollere egenskaberne for hver enkelt voxel. Virksomhedens Jet Fusion til industriel produktion og prototyping omfatter 5600-serien for at optimere anvendelser til fleksibel produktion i stor skala, 5400-serien til kvalitets hvide anvendelser, 5200-serien til at producere højværdige endelige 3D-delsproduktion, og 4200 for at optimere produktivitet og omkostninger.

Denne uge planlægger HP at vise 3D-printede dele, der udnytter deres nye materiale, PA 12 S, på den årlige AM Forum-konference i Berlin. Materialet er specialfremstillet til virksomhedens 3D-polymerløsninger, der bruges i industrier, og tilbyder fordele som omkostningsreduktion og fremragende overfladeæstetik.

Med en markedsværdi på $29.83 bln, handles virksomhedens aktier til $30.66, op 1.1% år-til-dato (YTD). Virksomheden har rapporteret en omsætning (TTM) på $53.1 bln, en EPS (TTM) på 3.41, og en P/E (TTM) på 8.91. Den betaler et udbytte på 3.62%.

#2. Materialise NV

Dette belgisk-baserede firma tilbyder et bredt udvalg af 3D-printtjenester, herunder metal- og polymerprint. Firmaet er især kendt for sin ekspertise inden for sundhedssektoren, hvor det bruger 3D-print til implantater, kirurgiske guider og anatomiske modeller. 

Sent i sidste år indgik Ricoh, et japansk billed- og elektronikfirma, et partnerskab med Materialise for at bringe point-of-care 3D-print til amerikanske hospitaler, hvilket vil muliggøre produktion af anatomiske modeller af en patients anatomi. Og i sidste måned lancerede Materialise en personlig 3D-printet temporomandibulær led (TMJ) behandling.

Med en markedsværdi på $293.56 mln, handles virksomhedens aktier til $5.36, ned over 24% YTD. Virksomheden har rapporteret en omsætning (TTM) på $278.69 mln, en EPS (TTM) på 0.13, og en P/E (TTM) på 39.57.

For nylig annoncerede virksomheden sine finansielle resultater for Q4 og hele 2023, hvor omsætningen steg med 4.1% til €65.3 million og 10.4% til €256.1 million, henholdsvis, på trods af de “turbulente makroøkonomiske og geopolitisk forhold”.

Materialise rapporterede også €128 million i kontanter og likvide midler, hvilket deres administrerende direktør Brigitte de Vet-Veithen sagde, sammen med yderligere sikret finansiering, gør dem “godt positioneret” til fortsat at tilbyde innovative 3D-produkt- og softwareløsninger.

Konklusion

Som vi bemærkede ovenfor, har 3D-print store fordele i flere industrier, herunder medicin, bilindustri, luftfart, forbrugsvarer, smykker samt forsvar og militær. Selvom den allerede oplever stigende nysgerrighed og brug, vil dens adoption kun vokse i de kommende år, efterhånden som mere forskning muliggør produktion af objekter i stor skala. Fremtiden for 3D-print er simpelthen lys, og viser løftet om at revolutionere fremstillingen og skabe en mere robust fremtid.