Partikel Mikroskopis 3D-Printed Dapat Mengubah Kedokteran dan Elektronik

Revolusi di dunia pencetakan 3D terjadi dengan cepat. Awal bulan ini, sebuah perusahaan di Jerman menciptakan Wave House menggunakan pencetakan 3D. Ini adalah bangunan 3D-printed terbesar di Eropa, dengan ukuran 600 sq m (6,600 sq ft), dan memiliki penampilan yang tidak biasa dengan desain gelombang yang tidak dapat direalisasikan melalui metode konstruksi konvensional. Teknologi pencetakan 3D memberikan kebebasan desain dan membutuhkan sekitar 140 jam.

Baru-baru ini, masjid 3D-printed pertama di dunia, yang mencakup area 5.600 sqm, dibuka di Jeddah, Arab Saudi. Pembangunan masjid membutuhkan waktu enam bulan.

Ketika datang ke teknologi pencetakan 3D, ICON yang berbasis di Texas baru-baru ini memperkenalkan penggunaan printer 3D yang dipasang pada lengan robot yang disebut Phoenix. Printer ini dapat menciptakan struktur multi-lantai dengan sistem tertutup penuh dari campuran rendah karbon. Dengan tinggi 70 kaki, Phoenix memungkinkan konstruksi yang lebih tinggi (hingga 27 kaki) daripada printer ICON saat ini, Vulcan, yang memiliki sistem gantry dengan chassis yang lebih dekat ke tanah.

Perusahaan ini juga mengumumkan pengembangan campuran bahan baru yang disebut CarbonX, yang merupakan “sistem bangunan residensial rendah karbon yang siap digunakan dalam skala besar.” Selain itu, ICON telah mengintegrasikan AI ke dalam sistemnya sehingga siapa saja dapat merancang skema rumah 3D-printable melalui platform Vitruvius.

Tapi ini tidak semua. Bulan lalu, pencetakan 3D memungkinkan pembuatan mata prostetik yang sangat realistis dalam waktu hanya 90 menit, dibandingkan dengan waktu 8 jam yang dibutuhkan oleh seorang teknisi terampil untuk membuatnya secara manual. Lalu ada pencetakan 3D drone, propelan, dan bahan peledak.

Pencetakan 3D, seperti yang kita bahas di atas, jelas berkembang dengan cepat, yang masuk akal, mengingat minat di bidang ini meningkat sangat besar. Minat yang tumbuh ini disebabkan oleh kemampuan teknik ini untuk membuat bentuk kustom dan mencetak beberapa jenis bahan dalam satu bagian, sehingga menghemat biaya dan bahan serta ramah lingkungan.

Juga disebut manufaktur aditif, pencetakan 3D melibatkan menumpuk bahan lapis demi lapis menggunakan printer untuk membangun sebuah objek. Namun, ini tidak tanpa tantangannya, terutama dalam hal bahan terbatas, membentuk bahan tertentu, ukuran terbatas, ketidakakuratan desain, dan lain-lain.

Jadi, ilmuwan bekerja untuk menemukan cara untuk mengatasi tantangan ini dan membuat pencetakan 3D lebih efektif dan dapat digunakan dalam skala besar.

Baru-baru ini, sebuah studi merancang proses baru untuk pencetakan 3D pada skala mikro yang mengembangkan partikel, dengan kecepatan hingga 1 juta setiap hari, dalam hampir semua bentuk untuk digunakan dalam manufaktur, kedokteran, dan penelitian.

Pencetakan Partikel Mikroskopis 3D

Diterbitkan di Nature, studi ini disebut “Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles” dan dilakukan oleh peneliti dari Stanford University.

Mereka yang terlibat dalam studi ini termasuk Jason M. Kronenfeld, seorang mahasiswa Ph.D. dari Departemen Kimia Stanford, sementara Lukas Rother dan Maria T. Dulay bekerja di Departemen Radiologi. Keduanya Max A. Saccone dan Joseph M. DeSimone beraffiliasi dengan Departemen Radiologi serta Departemen Teknik Kimia.

Dalam studi ini, peneliti mencatat bagaimana fabrikasi partikel menjadi populer berkat aplikasi yang beragam dalam mikroelektronika, abrasif, sistem granular, mikrofluidika, bioengineering, dan pengiriman obat dan vaksin.

Sementara partikel 3D-printed yang sangat kecil ini memiliki berbagai aplikasi, mereka memerlukan koordinasi yang tepat antara pergerakan panggung, pengiriman cahaya, dan sifat resin (zat yang sangat lengket). Ini membuat fabrikasi partikel mikroskopis kustom dalam skala besar sulit untuk dicapai.

Oleh karena itu, peneliti Stanford memperkenalkan teknik pencetakan 3D resolusi tinggi, yang dapat diskalakan untuk fabrikasi partikel bentuk-spesifik. Teknik proses ini, yang berdasarkan pada produksi antarmuka cairan terus-menerus roll-to-roll (r2rCLIP), jauh lebih efisien dalam mencetak jumlah besar partikel mikroskopis yang dapat disesuaikan dan sangat detail per hari.

Menurut penulis utama studi, Kronenfeld, seorang kandidat Ph.D. di laboratorium DeSimone, teknik ini memungkinkan bentuk yang lebih kompleks dibuat pada skala mikroskopis, dari berbagai bahan, dan dengan kecepatan yang belum pernah terlihat sebelumnya untuk fabrikasi partikel.

Penelitian ini membangun pada teknik pencetakan yang disebut produksi antarmuka cairan terus-menerus (CLIP), yang diperkenalkan hampir satu dekade yang lalu, pada tahun 2015, oleh DeSimone dan rekan.

CLIP menggunakan cahaya UV dan memproyeksikannya dalam irisan untuk mengeringkan resin dengan cepat menjadi bentuk yang diinginkan. Yang membedakan teknik ini adalah bahwa di atas proyektor cahaya UV, ada jendela yang memungkinkan oksigen untuk menembus. Jendela yang dapat ditembus oksigen ini mencegah resin cair menempel pada jendela dengan menciptakan apa yang disebut “zona mati.” Dengan demikian, kita dapat mengeringkan fitur yang halus tanpa merobek setiap lapisan dari jendela, yang menghasilkan pencetakan partikel yang lebih cepat.

Co-penulis DeSimone, yang merupakan Profesor Obat Translasi Sanjiv Sam Gambhir di Stanford dan telah bertanggung jawab atas berbagai kemajuan di bidang perangkat medis, nanomedisin, dan pencetakan 3D, mengatakan:

“Menggunakan cahaya untuk memfabrikasi objek tanpa cetakan membuka cakrawala baru di dunia partikel.” 

Membuatnya terjadi pada skala yang dapat diskalakan dapat memberikan lebih banyak kesempatan untuk menggunakan partikel-partikel ini “untuk menggerakkan industri masa depan,” tambahnya.

Klik di sini untuk mempelajari apa yang membuat pencetakan 3D menjadi pasar potensial $500 miliar.

r2rCLIP untuk Mengaktifkan Produksi Massal

Berdasarkan CLIP, peneliti menciptakan proses baru untuk memproduksi partikel nanoskala unik secara massal. Pertama, mereka menegangkan film dan mengirimkannya ke printer CLIP, di mana ratusan bentuk dicetak pada film secara bersamaan.

Kemudian, film dipindahkan ke pencucian, pengeringan, dan penghapusan bentuk. Semua langkah ini dapat disesuaikan tergantung pada bahan yang digunakan dan bentuk yang terlibat. Film kosong, akhirnya, digulung kembali, sehingga namanya roll-to-roll CLIP, atau r2rCLIP.

Penggunaan optik resolusi mikron tunggal, bersama dengan gulungan film terus-menerus bukan platform statis, memungkinkan peneliti untuk mencapai fabrikasi yang dapat diubah dengan cepat serta pengangkatan partikel dari berbagai bahan dan dengan geometri yang lebih rumit.

Menurut studi, geometri termasuk yang tidak dapat dicapai dengan teknik berbasis cetakan canggih, sehingga menunjukkan kemampuan unik dari pendekatan tim.

Baik bentuk yang dapat dicetak dan tidak dapat dicetak dari r2rCLIP ditunjukkan dengan ukuran voxel 2,0 × 2,0 µm2 dalam cetakan dan memiliki ketebalan yang tidak didukung sebesar 1,1 ± 0,3 µm.

Sebelum roll-to-roll CLIP, batch partikel yang dicetak harus diproses secara manual, yang merupakan proses yang lambat dan memerlukan upaya fisik yang besar. Otomatisasi r2rCLIP sekarang memungkinkan fabrikasi pada tingkat yang belum pernah terlihat sebelumnya, yaitu hingga 1.000.000 partikel setiap hari.

Proses pencetakan partikel mencapai otomatisasi penuh melalui penggantian pelat bangunan statis printer CLIP dengan sistem roll-to-roll modular terus-menerus. Ini memungkinkan pemrosesan pasca-otomatis yang termasuk pembersihan, pengeringan pasca, dan pengangkatan partikel (pemanenan).

Dalam makalahnya, tim mencatat bahwa keuntungan besar menggunakan teknik roll-to-roll CLIP untuk fabrikasi partikel adalah proses tanpa cetakan bawaannya. Ini memungkinkan produksi berbagai geometri partikel tanpa harus mengubah tata letak.

Ketika datang ke fabrikasi partikel, berbagai pendekatan melibatkan kompromi antara skalabilitas, kecepatan, keseragaman, sifat bahan, dan kontrol geometris. Misalnya, sementara beberapa proses dapat mencetak pada skala nanometer, mereka cenderung lebih lambat.

“Kami menavigasi keseimbangan yang tepat antara kecepatan dan resolusi,” kata Kronenfeld. Teknik mereka, katanya, “secara khas mampu” menghasilkan output resolusi tinggi, tetapi juga dapat mempertahankan kecepatan yang diperlukan untuk memenuhi volume produksi partikel yang diperlukan untuk berbagai aplikasi.

Ia menambahkan:

“Teknik dengan potensi dampak translasional harus dapat diadaptasi dengan mudah dari skala laboratorium penelitian ke produksi industri.” 

Aplikasi yang Luas

Penelitian ini, yang didanai oleh Program Beasiswa Penelitian Pascasarjana National Science Foundation dan Yayasan Bill & Melinda Gates, bertujuan untuk diadopsi secara luas oleh peneliti lain dan industri.

Dengan pencetakan 3D yang berkembang pesat, r2rCLIP berdiri sebagai “teknologi dasar,” kata DeSimone, yang merupakan direktur pendiri fakultas Pusat STEMM Mentorship Stanford, ko-direktur Pusat Canary di Stanford untuk Deteksi Kanker Dini, dan rekan fakultas Sarafan ChEM-H.

Namun, menurut DeSimone, industri mulai fokus pada produk 3D daripada proses ini, yang “menjadi jelas berharga dan berguna.” Jadi, pertanyaannya sekarang adalah:

“Aplikasi berharga apa?”

Menurut studi, partikel mikroskopis dengan desain yang rumit memungkinkan integrasi langsung dalam aplikasi analitis, biomedis, dan bahan lanjutan.

Peneliti sendiri telah bereksperimen dengan produksi partikel lunak dan keras, yang terbuat dari hidrogel, yang dapat digunakan dalam pengiriman obat di dalam tubuh, dan keramik, yang dapat digunakan dalam manufaktur mikroelektronika.

Dengan menggunakannya dalam produksi partikel hidrogel, menjadi mungkin untuk mengisi partikel-partikel ini untuk mencapai profil pelepasan yang dapat disesuaikan, gradasi, atau pulsatile dalam satu suntikan. Banyak studi sebelumnya telah mengeksplorasi pembuatan sistem resin fotopolimer yang sesuai dan memeriksa pengaruh bentuk, ukuran, dan biokompatibilitas bahan terhadap lokalisasi dan pengiriman. Ini mengarah pada penciptaan bioscaffolds dan manifolds pengiriman, yang membuka banyak prospek untuk fabrikasi partikel hidrogel untuk pengiriman obat meskipun tidak melibatkan prosedur fabrikasi yang dapat diskalakan.

Di sini, tim menciptakan kubus hidrogel dengan ukuran unit 400 µm dan mengisi secara manual sekitar delapan nl kargo representatif pasca-pencetakan, diikuti dengan menutup dengan tutup hidrogel. Studi ini menyoroti potensi untuk palet kargo pelepasan yang dapat diprogram melalui penelitian lebih lanjut dengan membangun pada studi sebelumnya tentang kinetika kendaraan pengiriman obat dan memanfaatkan sifat yang dapat disesuaikan dari berat molekul dan ketebalan dinding.

Fleksibilitas bahan dan mekanis, dari keramik ke hidrogel, juga dapat membantu dalam penciptaan bahan pintar. Jadi, dengan menunjukkan potensi fabrikasi lebih dari rentang yang luas, pendekatan produksi partikel yang dapat diskalakan ini juga memiliki potensi aplikasi dalam alat mikro dan elektronik, tambahnya.

Throughput yang tinggi dari teknik (r2rCLIP) ini, sementara itu, memiliki implikasi langsung untuk produksi skala industri perangkat mikro seperti mikrorobot dan sistem pengiriman kargo. Ini terutama didukung untuk produksi bahan keramik.

Dengan menggunakan resin pre-keramik untuk memproduksi partikel keramik teknis dalam skala besar, studi ini mengatakan, dapat memiliki aplikasi yang mungkin dalam sistem mikroelektromekanis, teknik planarization mekanis sebagai komponen slurry, dan partikel konduktif yang akan memungkinkan aplikasi industri seperti telekomunikasi dan perawatan kesehatan.

Menurut Dulay, seorang ilmuwan peneliti senior:

“Ada berbagai aplikasi, dan kita baru saja mulai mengeksplorasi mereka. Ini benar-benar luar biasa di mana kita berada dengan teknik ini.”

Perusahaan yang Menggunakan Pendekatan Inovatif untuk Manufaktur Aditif

Sekarang, mari kita lihat beberapa perusahaan yang memimpin jalan dalam pencetakan 3D:

#1. HP Inc.

Sebuah nama yang dikenal di industri pencetakan tradisional, HP Inc. telah membuat banyak gerakan dalam pencetakan 3D, yang melibatkan teknologi Fusi Jet Ganda (MJF), yang dirancang untuk produksi industri. Ini menawarkan pencetakan 3D kecepatan tinggi dan kemampuan untuk mengontrol sifat setiap voxel individual. Perusahaan ini menawarkan Jet Fusion untuk produksi industri dan prototip yang melibatkan Seri 5600 untuk mengoptimalkan aplikasi untuk produksi fleksibel skala 1, Seri 5400 untuk aplikasi putih kualitas, Seri 5200 untuk produksi bagian 3D akhir yang bernilai tinggi, dan Seri 4200 untuk mengoptimalkan produktivitas dan biaya.

Minggu ini, HP berencana menampilkan bagian-bagian yang dicetak 3D dengan menggunakan bahan baru, PA 12 S, pada Konferensi Tahunan AM Forum di Berlin. Bahan ini dirancang khusus untuk solusi polimer 3D perusahaan yang digunakan dalam industri dan menawarkan manfaat seperti pengurangan biaya dan estetika permukaan yang sangat baik.

Dengan kapitalisasi pasar $29,83 miliar, saham perusahaan ini diperdagangkan pada $30,66, naik 1,1% year-to-date (YTD). Perusahaan ini telah memposting pendapatan (TTM) sebesar $53,1 miliar, EPS (TTM) sebesar 3,41, dan P/E (TTM) sebesar 8,91. Perusahaan ini membayar dividen yield sebesar 3,62%.

#2. Materialise NV

Perusahaan Belgia ini menawarkan berbagai layanan pencetakan 3D, termasuk pencetakan logam dan polimer. Perusahaan ini terutama dikenal karena keahliannya di sektor kesehatan, di mana ia menggunakan pencetakan 3D untuk implan, panduan bedah, dan model anatomi.

Akhir tahun lalu, Ricoh, sebuah perusahaan imaging dan elektronik Jepang, bermitra dengan Materialise untuk membawa pencetakan 3D point-of-care ke rumah sakit AS, yang akan memungkinkan produksi model anatomi dari anatominya pasien. Dan bulan lalu, Materialise meluncurkan pengobatan sendi rahang temporomandibular (TMJ) yang dipersonalisasi dan dicetak 3D.

Dengan kapitalisasi pasar $293,56 juta, saham perusahaan ini diperdagangkan pada $5,36, turun lebih dari 24% YTD. Perusahaan ini telah memposting pendapatan (TTM) sebesar $278,69 juta, EPS (TTM) sebesar 0,13, dan P/E (TTM) sebesar 39,57.

Baru-baru ini, perusahaan ini mengumumkan hasil keuangan untuk Q4 dan tahun 2023, di mana pendapatannya meningkat 4,1% menjadi €65,3 juta dan 10,4% menjadi €256,1 juta, masing-masing, meskipun “kondisi makroekonomi dan geopolitik yang bergolak.”

Materialise juga melaporkan €128 juta dalam kas dan setara kas, yang menurut CEO Brigitte de Vet-Veithen, bersama dengan pembiayaan tambahan yang diperoleh, membuat perusahaan “siap” untuk terus menawarkan solusi produk dan perangkat lunak 3D yang inovatif.

Kesimpulan

Seperti yang kita catat di atas, pencetakan 3D memiliki beberapa kelebihan besar di berbagai industri, termasuk medis, otomotif, aerosfer, barang konsumen, perhiasan, dan pertahanan dan militer. Sementara itu sudah menarik perhatian dan penggunaan yang tumbuh, adopsinya hanya akan tumbuh dalam beberapa tahun mendatang karena lebih banyak penelitian memungkinkan produksi objek dalam skala besar. Masa depan pencetakan 3D sangat cerah, menunjukkan janji untuk merevolusi manufaktur dan menciptakan masa depan yang lebih tangguh.