Des particules microscopiques imprimées en 3D pourraient transformer la médecine et l’électronique

Les révolutions dans le monde de l’impression 3D se produisent à un rythme rapide. Plus tôt ce mois-ci, une entreprise en Allemagne a créé la Wave House en utilisant l’impression 3D. C’est le plus grand bâtiment imprimé en 3D d’Europe, mesurant 600 m² (6 600 pi²), et possède une apparence inhabituelle avec un design en forme d’onde qui ne pouvait pas être réalisé par des méthodes de construction conventionnelles. La technologie d’impression 3D de construction a offert la liberté de conception et a pris environ 140 heures.

La semaine dernière, la toute première mosquée imprimée en 3D, couvrant une superficie de 5 600 m², a ouvert à Djeddah, en Arabie Saoudite. Sa construction a pris six mois.

En ce qui concerne la technologie d’impression 3D, la société texane ICON a récemment a dévoilé son imprimante 3D montée sur un bras robotique appelée Phoenix. Cette imprimante peut créer des structures à plusieurs étages avec des systèmes entièrement fermés à partir d’un mélange à faible teneur en carbone. Avec une hauteur de 70 pieds, Phoenix permet une construction plus élevée (jusqu’à 27 pieds) que l’imprimante actuelle d’ICON, la Vulcan, qui possède un système de portique avec le châssis plus proche du sol. 

L’entreprise a également annoncé le développement d’un nouveau mélange de matériaux appelé CarbonX, qui est « le système de construction résidentielle le plus bas carbone prêt à être utilisé à grande échelle ». De plus, ICON a intégré l’IA dans ses systèmes afin que chacun puisse concevoir des schémas de maisons imprimables en 3D via sa plateforme Vitruvius.

Mais ce n’est pas tout. Le mois dernier, l’impression 3D a permis la création d’yeux prothétiques d’aspect extrêmement réaliste en seulement 90 minutes, contre les 8 heures habituelles nécessaires à un technicien qualifié pour en fabriquer un manuellement. Il y a aussi l’impression 3D de drones, de propulseurs et d’explosifs. 

L’impression 3D, comme nous l’avons vu précédemment, progresse clairement à un rythme rapide, ce qui est logique étant donné que l’intérêt pour ce domaine augmente de façon considérable. L’intérêt croissant est dû à la capacité de cette technique à créer des formes personnalisées et à imprimer plusieurs types de matériaux en une seule pièce, économisant ainsi de l’argent et des matériaux tout en étant respectueuse de l’environnement.

Également appelée fabrication additive, l’impression 3D consiste à empiler un matériau couche par couche à l’aide d’une imprimante pour créer un objet. Cependant, elle n’est pas sans défis, notamment en ce qui concerne les matériaux limités, le façonnage de certains matériaux, les tailles restreintes, les imprécisions de conception, et plus encore.

Ainsi, les scientifiques travaillent à trouver des moyens de surmonter ces défis et de rendre l’impression 3D encore plus efficace et exploitable à grande échelle.

Récemment, une étude a mis au point un nouveau processus d’impression 3D à l’échelle microscopique qui fabrique des particules, à un rythme pouvant atteindre 1 million par jour, dans pratiquement n’importe quelle forme pour une utilisation dans la fabrication, la médecine et la recherche. 

Particules microscopiques imprimées en 3D

Publié dans Nature, l’étude s’intitule « Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles » et a été menée par des chercheurs de l’Université Stanford. 

Les personnes impliquées dans l’étude comprennent Jason M. Kronenfeld, doctorant au département de chimie de Stanford, tandis que Lukas Rother et Maria T. Dulay travaillent tous deux au département de radiologie. Max A. Saccone et Joseph M. DeSimone appartiennent également au département de radiologie ainsi qu’au département de génie chimique.

Dans l’étude, les chercheurs ont noté que la fabrication de particules devient populaire grâce à ses diverses applications en microélectronique, abrasifs, systèmes granulaires, microfluidique, bio-ingénierie, ainsi que dans la délivrance de médicaments et de vaccins.

Bien que ces particules imprimées en 3D extrêmement petites offrent un large éventail d’applications, elles nécessitent une coordination précise entre le mouvement de la plateforme, la délivrance de lumière et les propriétés de la résine (une substance très collante). Cela rend difficile la fabrication évolutive de telles particules microscopiques personnalisées. 

Ainsi, les chercheurs de Stanford ont présenté une technique d’impression 3D haute résolution, évolutive pour la fabrication de particules à forme spécifique. Cette technique de traitement, basée sur la production continue d’interface liquide en rouleau (r2rCLIP), est bien plus efficace pour imprimer d’énormes quantités de particules microscopiques personnalisables et très détaillées chaque jour.

Selon le premier auteur de l’étude, Kronenfeld, doctorant dans le laboratoire DeSimone, cette technique permet de créer des formes plus complexes à l’échelle microscopique, à partir d’un large éventail de matériaux, et à des vitesses jamais atteintes auparavant pour la fabrication de particules. 

La recherche s’appuie sur la technique d’impression appelée production continue d’interface liquide (CLIP), introduite il y a près d’une décennie, en 2015, par DeSimone et ses collègues. 

CLIP utilise la lumière UV et la projette en tranches pour durcir rapidement la résine dans la forme souhaitée. Ce qui distingue cette technique, c’est qu’au-dessus du projecteur UV, il y a une fenêtre qui laisse passer l’oxygène. Cette fenêtre perméable à l’oxygène empêche la résine liquide de s’y coller en créant ce que l’on appelle une « zone morte ». Ainsi, nous pouvons durcir des caractéristiques délicates sans détacher chaque couche de la fenêtre, ce qui permet une impression de particules plus rapide.

Le coauteur DeSimone, qui est le professeur Sanjiv Sam Gambhir de médecine translationnelle à Stanford et a été responsable de diverses percées dans les domaines des dispositifs médicaux, de la nanomédecine et de l’impression 3D, a déclaré :

« Utiliser la lumière pour fabriquer des objets sans moules ouvre un tout nouveau horizon dans le monde des particules. » 

Réaliser cela à grande échelle peut offrir davantage d’opportunités d’utiliser ces particules « pour propulser les industries du futur », a-t-il ajouté.

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r2rCLIP pour permettre la production de masse

En se basant sur le CLIP, les chercheurs ont créé un nouveau processus de production en masse de particules nanoscopiques. D’abord, ils ont soigneusement tendu un film et l’ont envoyé à l’imprimante CLIP, où des centaines de formes ont été imprimées sur le film simultanément.

Ensuite, il passe au lavage, à la cure et à l’élimination des formes. Toutes ces étapes peuvent être personnalisées en fonction du matériau utilisé et de la forme concernée. Le film vide est finalement enroulé à nouveau, d’où le nom roll-to-roll CLIP, ou r2rCLIP. 

L’utilisation d’optique à résolution micrométrique à un chiffre, associée à un rouleau continu de film plutôt qu’à une plateforme statique, a permis aux chercheurs d’obtenir une fabrication rapide et permutable ainsi qu’un décollage des particules de différents matériaux avec des géométries plus complexes. 

Selon l’étude, les géométries comprenaient celles qui ne pouvaient pas être réalisées avec des techniques avancées basées sur des moules, mettant ainsi en avant les capacités uniques de l’approche de l’équipe.

Les formes moulables et non moulables du r2rCLIP ont été présentées avec des tailles de voxel (un échantillon unique sur une grille 3D régulièrement espacée) de 2,0 × 2,0 µm² en impression et une épaisseur non supportée de 1,1 ± 0,3 µm. 

Avant le roll-to-roll CLIP, un lot de particules imprimées devait être traité manuellement, ce qui est un processus lent nécessitant un grand effort physique. L’automatisation du r2rCLIP permet désormais une fabrication à un niveau sans précédent, soit jusqu’à 1 000 000 de particules chaque jour.

Le processus d’impression de particules a atteint une automatisation complète grâce au remplacement de la plaque de construction statique de l’imprimante CLIP par un système continu de film, modulaire et roll-to-roll. Cela permet un post-traitement en ligne automatisé incluant le nettoyage, la post-durcissement et le décollage (récolte) des particules. 

Dans son article, l’équipe a souligné qu’un grand avantage de l’utilisation de la technique roll-to-roll CLIP pour la fabrication de particules est son processus intrinsèquement sans moule. Cela permet la production d’une vaste gamme de géométries de particules sans devoir modifier la configuration.

En ce qui concerne la fabrication de particules, différentes approches impliquent des compromis entre évolutivité, vitesse, uniformité, propriétés des matériaux et contrôle géométrique. Par exemple, bien que certains processus puissent imprimer à l’échelle nanométrique, ils ont tendance à être plus lents. 

« Nous naviguons un équilibre précis entre vitesse et résolution », a déclaré Kronenfeld. Selon lui, leur technique est « distinctivement capable » de fabriquer des sorties haute résolution, tout en conservant la vitesse nécessaire pour répondre aux volumes de production de particules requis pour différentes applications. 

Il a ajouté :

« Les techniques ayant un potentiel d’impact translationnel doivent être adaptables de manière réaliste de l’échelle du laboratoire de recherche à celle de la production industrielle. » 

Applications vastes

La recherche, financée par le programme de bourses de recherche doctorale de la National Science Foundation et la Fondation Bill & Melinda Gates, vise à être largement adoptée par d’autres chercheurs et l’industrie.

Avec l’évolution rapide de l’impression 3D, le r2rCLIP représente « une technologie fondamentale », a déclaré DeSimone, qui est le directeur fondateur du Center for STEMM Mentorship de Stanford, co-directeur du Canary Center de Stanford pour la détection précoce du cancer, et fellow du faculty de Sarafan ChEM-H.

Cependant, selon DeSimone, l’industrie commence à se concentrer sur les produits 3D plutôt que sur ces processus, qui « deviennent clairement précieux et utiles ». Ainsi, la question maintenant est : 

« Quelles sont les applications à forte valeur ajoutée ? »

Selon l’étude, les particules microscopiques aux conceptions complexes permettent une intégration directe dans les applications analytiques, biomédicales et de matériaux avancés.

Les chercheurs eux‑mêmes ont expérimenté la production de particules souples et dures, faites d’hydrogel, pouvant être utilisées pour la délivrance de médicaments dans le corps, ainsi que de céramiques, qui peuvent être employées dans la fabrication de microélectronique.

En les utilisant pour la production de particules d’hydrogel, il devient possible de remplir ces particules afin d’obtenir des profils de libération réglables, en gradient ou pulsatile lors d’une injection unique. De nombreuses études antérieures ont exploré la création de systèmes de résine photopolymère adaptés et examiné l’influence de la forme, de la taille et de la biocompatibilité des matériaux sur la localisation et la délivrance. Cela a conduit à la création de bioscaffolds et de réseaux de distribution, ouvrant de nombreuses perspectives pour la fabrication de particules d’hydrogel destinées à la délivrance de médicaments, bien que cela n’implique pas une procédure de fabrication évolutive et permutable. 

Ici, l’équipe a fabriqué des cubes d’hydrogel de taille unitaire de 400 µm et les a remplis manuellement avec environ huit nl de charge représentative après impression, puis les a surmontés d’un capuchon d’hydrogel. L’étude a souligné le potentiel d’une palette programmable de libération de charge grâce à des recherches futures, en s’appuyant sur des études antérieures sur la cinétique des vecteurs de délivrance de médicaments et en exploitant les propriétés réglables du poids moléculaire et de l’épaisseur des parois.

La polyvalence matérielle et mécanique, du céramique à l’hydrogel, peut également aider à la création de matériaux intelligents. Ainsi, en démontrant le potentiel de fabrication sur une aussi large gamme, cette approche de production de particules évolutive possède également des applications potentielles dans les micro‑outils et l’électronique, a-t-elle ajouté. 

Le haut débit de la technique (r2rCLIP), quant à lui, a des implications directes pour la production industrielle à grande échelle de micro‑dispositifs tels que les microrobots et les systèmes de livraison de charge. Cela est particulièrement favorable à la production de matériaux céramiques. 

En utilisant des résines pré-céramiques pour fabriquer des particules céramiques techniques à grande échelle, l’étude indique que cela pourrait avoir des applications potentielles dans les systèmes microélectromécaniques, les techniques de planarisation mécanique en tant que composants de bouillie, et les particules conductrices qui permettront des applications industrielles telles que les télécommunications et la santé.

Selon Dulay, scientifique senior de recherche :

« Il existe une vaste gamme d’applications, et nous ne faisons que commencer à les explorer. C’est assez extraordinaire où nous en sommes avec cette technique. »

Entreprises utilisant des approches innovantes de fabrication additive

Voyons maintenant quelques entreprises qui sont à la pointe de l’impression 3D :

#1. HP Inc.

Nom bien connu dans l’industrie de l’impression traditionnelle, HP Inc. (HPQ ) a réalisé de nombreuses avancées dans l’impression 3D, notamment avec sa technologie Multi Jet Fusion (MJF) conçue pour la production industrielle. Elle offre une impression 3D à grande vitesse et la capacité de contrôler les propriétés de chaque voxel individuel. La gamme Jet Fusion de l’entreprise pour la production industrielle et le prototypage comprend la série 5600 pour optimiser les applications de production flexible à grande échelle, la série 5400 pour les applications de haute qualité blanche, la série 5200 pour produire des pièces 3D finales à forte valeur ajoutée, et la série 4200 pour optimiser la productivité et les coûts.

Cette semaine, HP prévoit d’exposer des pièces imprimées en 3D utilisant son nouveau matériau, le PA 12 S, lors de la conférence annuelle AM Forum à Berlin. Ce matériau est fabriqué sur mesure pour les solutions polymères 3D de l’entreprise utilisées dans l’industrie et offre des avantages tels que la réduction des coûts et une excellente esthétique de surface.

Avec une capitalisation boursière de $29.83 bln, les actions de l’entreprise se négocient à $30.66, en hausse de 1.1% depuis le début de l’année (YTD). L’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires (TTM) de $53.1 bln, un BPA (TTM) de 3.41, et un PER (TTM) de 8.91. Elle verse un rendement de dividende de 3.62%.

#2. Materialise NV

Cette entreprise belge propose une large gamme de services d’impression 3D, incluant l’impression métal et polymère. Elle est particulièrement reconnue pour son expertise dans le secteur de la santé, où elle utilise l’impression 3D pour les implants, les guides chirurgicaux et les modèles anatomiques. 

Fin de l’année dernière, Ricoh, une entreprise japonaise d’imagerie et d’électronique, s’est associée à Materialise pour introduire l’impression 3D au point de soin dans les hôpitaux américains, permettant la production de modèles anatomiques de l’anatomie d’un patient. Le mois dernier, Materialise a lancé un traitement personnalisé de l’articulation temporo-mandibulaire (TMJ) imprimé en 3D.

Avec une capitalisation boursière de $293.56 mln, les actions de l’entreprise se négocient à $5.36, en baisse de plus de 24% YTD. L’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires (TTM) de $278.69 mln, un BPA (TTM) de 0.13, et un PER (TTM) de 39.57.

Récemment, l’entreprise a annoncé ses résultats financiers pour le quatrième trimestre et l’ensemble de 2023, période pendant laquelle son chiffre d’affaires a augmenté de 4.1% à €65.3 million et de 10.4% à €256.1 million, respectivement, malgré les « conditions macroéconomiques et géopolitiques turbulentes ».

Materialise a également déclaré disposer de €128 million en liquidités et équivalents de liquidités, ce que son PDG Brigitte de Vet-Veithen a indiqué, avec le financement supplémentaire obtenu, la place l’entreprise « bien positionnée » pour continuer à offrir des solutions innovantes de produits et de logiciels 3D.

Conclusion

Comme nous l’avons souligné précédemment, l’impression 3D présente de nombreux avantages dans plusieurs secteurs, notamment la médecine, l’automobile, l’aérospatiale, les biens de consommation, la bijouterie, ainsi que la défense et le militaire. Bien qu’elle suscite déjà une curiosité et une utilisation croissantes, son adoption ne fera que s’accroître dans les années à venir à mesure que la recherche permettra la production d’objets à grande échelle. L’avenir de l’impression 3D est tout simplement prometteur, démontrant la promesse de révolutionner la fabrication et de créer un avenir plus résilient.