Particelle microscopiche stampate in 3D potrebbero cambiare la medicina e l’elettronica

Le rivoluzioni nel mondo della stampa 3D stanno avvenendo a un ritmo veloce. All’inizio di questo mese, un’azienda in Germania ha creato la Wave House utilizzando la stampa 3D. È l’edificio più grande stampato in 3D in Europa, con una superficie di 600 metri quadrati (6.600 piedi quadrati) e ha un aspetto insolito, con un design a forma d’onda che non avrebbe potuto essere realizzato con metodi di costruzione convenzionali. La tecnologia di stampa 3D per l’edilizia ha offerto la libertà di progettazione e ha richiesto circa 140 ore.

Solo la scorsa settimana, il primo moschea stampato in 3D al mondo, che copre un’area di 5.600 metri quadrati, è stato aperto a Jeddah, in Arabia Saudita. La costruzione della moschea ha richiesto sei mesi.

Quando si parla di tecnologia di stampa 3D, la società ICON con sede in Texas ha recentemente presentato il suo stampante 3D a braccio robotico chiamato Phoenix. Questo stampante può creare strutture a più piani con sistemi completamente chiusi da una miscela a basso contenuto di carbonio. Alto 21 metri, Phoenix consente una costruzione più alta (fino a 8 metri) rispetto all’attuale stampante di ICON, il Vulcan, che ha un sistema a telaio con il telaio più vicino al suolo.

L’azienda ha anche annunciato lo sviluppo di una nuova miscela di materiali chiamata CarbonX, che è “il sistema di costruzione residenziale a basso contenuto di carbonio pronto per essere utilizzato su larga scala”. Inoltre, ICON ha integrato l’intelligenza artificiale nei suoi sistemi in modo che chiunque possa progettare schemi di case stampabili in 3D tramite la sua piattaforma Vitruvius.

Ma non è tutto. Lo scorso mese, la stampa 3D ha permesso la creazione di occhi prostetici estremamente realistici in soli 90 minuti, a differenza delle 8 ore che normalmente richiede un tecnico specializzato per produrne uno manualmente. Poi c’è la stampa 3D di droni, propellenti ed esplosivi.

La stampa 3D, come abbiamo visto sopra, sta chiaramente avanzando a un ritmo rapido, il che ha senso, dato che l’interesse in questo campo sta aumentando enormemente. L’interesse crescente è dovuto alla capacità di questa tecnica di creare forme personalizzate e stampare più tipi di materiali in un unico pezzo, risparmiando denaro e materiale e mantenendo l’ambiente.

Chiamata anche produzione additiva, la stampa 3D consiste nell’impilare uno strato di materiale dopo l’altro utilizzando una stampante per costruire un oggetto. Tuttavia, non è senza le sue sfide, in particolare in termini di materiali limitati, modellazione di determinati materiali, dimensioni ridotte, inesattezze di progettazione e altro.

Quindi, gli scienziati stanno lavorando per trovare modi per superare queste sfide e rendere la stampa 3D ancora più efficace e funzionale su larga scala.

Recentemente, uno studio ha ideato un nuovo processo per la stampa 3D a scala microscopica che sviluppa particelle, a un ritmo di fino a 1 milione al giorno, in quasi qualsiasi forma per l’uso nella produzione, nella medicina e nella ricerca.

Stampa 3D di particelle microscopiche

Pubblicato su Nature, lo studio si intitola “Roll-to-roll, alta risoluzione 3D printing di particelle a forma specifica” e condotto da ricercatori dell’Università di Stanford.

Coloro che sono coinvolti nello studio includono Jason M. Kronenfeld, uno studente di dottorato del Dipartimento di Chimica di Stanford, mentre Lukas Rother e Maria T. Dulay lavorano presso il Dipartimento di Radiologia. Sia Max A. Saccone che Joseph M. DeSimone appartengono al Dipartimento di Radiologia e al Dipartimento di Ingegneria Chimica.

Nello studio, i ricercatori hanno notato come la fabbricazione di particelle stia diventando popolare grazie alle sue numerose applicazioni nella microelettronica, negli abrasivi, nei sistemi granulari, nella microfluidica, nella bioingegneria e nella consegna di farmaci e vaccini.

Sebbene queste particelle 3D stampate estremamente piccole abbiano una vasta gamma di applicazioni, richiedono una coordinazione precisa tra il movimento della scena, la consegna della luce e le proprietà della resina (una sostanza altamente appiccicosa). Ciò rende difficile raggiungere la fabbricazione su larga scala di particelle microscopiche personalizzate.

Pertanto, i ricercatori di Stanford hanno introdotto una tecnica di stampa 3D ad alta risoluzione, che è scalabile per la fabbricazione di particelle a forma specifica. Questa tecnica di lavorazione, basata sulla produzione continua di interfaccia liquida roll-to-roll (r2rCLIP), è molto più efficiente nella stampa di enormi quantità di particelle microscopiche personalizzate e dettagliate al giorno.

Secondo l’autore principale dello studio, Kronenfeld, un candidato al dottorato nel laboratorio DeSimone, questa tecnica consente la creazione di forme più complesse a scala microscopica, da una vasta gamma di materiali e a velocità mai viste prima per la fabbricazione di particelle.

La ricerca si basa sulla tecnica di stampa chiamata produzione di interfaccia liquida continua (CLIP), che è stata introdotta quasi un decennio fa, nel 2015, da DeSimone e colleghi.

CLIP utilizza la luce UV e la proietta a fette per curare rapidamente la resina nella forma desiderata. Ciò che distingue questa tecnica è che sopra il proiettore di luce UV c’è una finestra che consente all’ossigeno di penetrare. Questa finestra permeabile all’ossigeno impedisce alla resina liquida di attaccarsi ad essa creando una sorta di “zona morta”. Pertanto, possiamo curare caratteristiche delicate senza strappare ogni strato dalla finestra, il che risulta in una stampa di particelle più veloce.

Il coautore DeSimone, che è il professore di Sanjiv Sam Gambhir di Medicina Traslazionale a Stanford e ha sido responsabile di numerose innovazioni nei campi dei dispositivi medici, nanomedicina e stampa 3D, ha detto:

“Utilizzare la luce per fabbricare oggetti senza stampi apre un intero nuovo orizzonte nel mondo delle particelle.”

Rendere tutto ciò possibile a livello scalabile può offrire ulteriori opportunità per utilizzare queste particelle “per guidare le industrie del futuro”, ha aggiunto.

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r2rCLIP per consentire la produzione di massa

Basata su CLIP, i ricercatori hanno creato un nuovo processo per la produzione di massa di particelle a forma unica a scala nanometrica. In primo luogo, hanno teso con cura un film e lo hanno inviato alla stampante CLIP, dove centinaia di forme sono state stampate sul film contemporaneamente.

Quindi, viene spostato al lavaggio, alla cura e alla rimozione delle forme. Tutti questi passaggi possono essere personalizzati a seconda del materiale utilizzato e della forma coinvolta. Il film vuoto, infine, viene riavvolto, da cui il nome roll-to-roll CLIP, o r2rCLIP.

L’utilizzo di ottiche a risoluzione micronica a singolo cifra, insieme a un rotolo continuo di pellicola invece di una piattaforma statica, ha consentito ai ricercatori di raggiungere una fabbricazione permutable rapida e il sollevamento delle particelle da diversi materiali e con geometrie più intricate.

Secondo lo studio, le geometrie includevano quelle che non potevano essere realizzate con tecniche avanzate a stampo, dimostrando così le capacità uniche dell’approccio del team.

Sia le forme modellabili che quelle non modellabili di r2rCLIP sono state mostrate con dimensioni di voxel (un singolo campione su una griglia 3D regolarmente spaziata) di 2,0 × 2,0 µm2 nella stampa e con uno spessore non supportato di 1,1 ± 0,3 µm.

Prima della stampa roll-to-roll CLIP, un batch di particelle stampate deve essere elaborato manualmente, il che è un processo lento che richiede un grande sforzo fisico. L’automazione di r2rCLIP consente ora la fabbricazione a un livello senza precedenti, ovvero fino a 1.000.000 di particelle ogni singolo giorno.

Il processo di stampa delle particelle ha raggiunto la piena automazione sostituendo il piatto di costruzione statico della stampante CLIP con un sistema modulare roll-to-roll continuo. Ciò consente un’elaborazione post-stampa in linea automatizzata che include pulizia, post-cura e sollevamento delle particelle (raccolta).

Nel suo articolo, il team ha notato che un grande vantaggio dell’utilizzo della tecnica roll-to-roll CLIP per la fabbricazione di particelle è il suo processo senza stampo innato. Ciò consente la produzione di una vasta gamma di geometrie di particelle senza dover cambiare la disposizione.

Quando si tratta di fabbricazione di particelle, diversi approcci implicano compromessi tra scalabilità, velocità, uniformità, proprietà dei materiali e controllo geometrico. Ad esempio, mentre alcuni processi possono stampare a scala nanometrica, tendono a essere più lenti.

“Stiamo navigando un equilibrio preciso tra velocità e risoluzione”, ha detto Kronenfeld. La sua tecnica, ha notato, è “distintivamente in grado” di produrre output ad alta risoluzione, ma può anche mantenere la velocità necessaria per soddisfare i volumi di produzione di particelle richiesti per diverse applicazioni.

Ha aggiunto:

“Le tecniche con potenziale impatto traslazionale devono essere adattabili in modo fattibile dalla scala del laboratorio di ricerca a quella della produzione industriale.”

Vaste applicazioni

La ricerca, che è stata finanziata dal Programma di borse di studio della National Science Foundation e dalla Fondazione Bill e Melinda Gates, mira a essere ampiamente adottata da altri ricercatori e industrie.

Con la stampa 3D che evolve rapidamente, r2rCLIP si presenta come “una tecnologia fondamentale”, ha detto DeSimone, che è anche il direttore fondatore della facoltà del Centro di Stanford per la mentorship STEMM, co-direttore del Centro Canary di Stanford per la rilevazione precoce del cancro e fellow della facoltà di Sarafan ChEM-H.

Tuttavia, secondo DeSimone, l’industria sta iniziando a concentrarsi sui prodotti 3D piuttosto che su questi processi, che stanno “diventando chiaramente preziosi e utili”. Quindi, la domanda ora è:

“Quali sono le applicazioni ad alto valore?”

Secondo lo studio, le particelle microscopiche con progetti intricati consentono l’integrazione diretta all’interno di applicazioni analitiche, biomediche e di materiali avanzati.

I ricercatori stessi hanno sperimentato la produzione di particelle sia morbide che dure, realizzate con idrogeli, che possono avere applicazioni nella consegna di farmaci nel corpo, e ceramiche, che possono essere utilizzate nella produzione di microelettronica.

Utilizzandole nella produzione di particelle di idrogel, è possibile riempirle per ottenere profili di rilascio regolabili, a gradiente o pulsatile, in un’unica iniezione. Molti studi hanno precedentemente esplorato la creazione di sistemi di resina fotopolimerica adatti e hanno esaminato l’influenza della forma, della dimensione e della biocompatibilità dei materiali sulla localizzazione e sulla consegna. Ciò ha portato alla creazione di bioscaffold e manifold di consegna, che ha aperto numerose prospettive per la fabbricazione di particelle di idrogel per la consegna di farmaci, nonostante non sia stato coinvolto un procedimento di fabbricazione scalabile e permutable.

Qui, il team ha fabbricato cubi di idrogel di 400 µm di dimensioni unitarie e li ha riempiti manualmente con circa 8 nl di carico rappresentativo dopo la stampa, seguito da un cappuccio di idrogel. Lo studio ha evidenziato il potenziale per un pallet programmabile di rilascio di carico attraverso future ricerche, basandosi su studi precedenti sulla cinetica dei veicoli di consegna di farmaci e sfruttando le proprietà regolabili del peso molecolare e dello spessore della parete.

La versatilità del materiale e meccanica, dalla ceramica all’idrogel, può anche assistere nella creazione di materiali intelligenti. Quindi, dimostrando il potenziale di fabbricazione su una vasta gamma, questo approccio di produzione di particelle scalabile ha anche un potenziale di applicazione nella creazione di strumenti micro e elettronica, ha aggiunto.

L’elevata resa della tecnica (r2rCLIP), nel frattempo, ha implicazioni dirette per la produzione su scala industriale di dispositivi micro, come microrobot e sistemi di consegna di carico. Ciò è particolarmente supportabile per la produzione di materiali ceramici.

Utilizzando resine preceramiche per produrre particelle ceramiche tecniche su larga scala, lo studio afferma che ciò può avere possibili applicazioni nei sistemi microelettromeccanici, nelle tecniche di pianificazione meccanica come componenti di suspensioni e particelle conduttive che consentiranno applicazioni industriali come telecomunicazioni e assistenza sanitaria.

Secondo Dulay, uno scienziato di ricerca senior:

“C’è una vasta gamma di applicazioni e stiamo solo iniziando a esplorarle. È piuttosto straordinario dove siamo con questa tecnica.”

Aziende che utilizzano approcci innovativi alla produzione additiva

Ora, diamo un’occhiata a un paio di aziende che stanno guidando la strada nella stampa 3D:

#1. HP Inc.

Un nome ben noto nel settore della stampa tradizionale, HP Inc. ha fatto molti movimenti nella stampa 3D, che coinvolge la sua tecnologia Multi Jet Fusion (MJF), progettata per la produzione industriale. Offre una stampa 3D ad alta velocità e la capacità di controllare le proprietà di ogni singolo voxel. La società dispone della serie Jet Fusion per la produzione industriale e la prototipazione, che include la serie 5600 per ottimizzare le applicazioni per la produzione flessibile su scala 1, la serie 5400 per le applicazioni di qualità bianca, la serie 5200 per produrre la produzione finale di parti 3D ad alto valore e la serie 4200 per ottimizzare la produttività e il costo.

Questa settimana, HP sta pianificando di esporre parti stampate in 3D utilizzando il suo nuovo materiale, PA 12 S, alla conferenza annuale AM Forum a Berlino. Il materiale è personalizzato per le soluzioni di polimero 3D della società utilizzate nelle industrie e offre vantaggi come la riduzione dei costi e un’eccellente estetica della superficie.

Con un capitale di 29,83 miliardi di dollari, le azioni della società sono scambiate a 30,66 dollari, in aumento del 1,1% dall’inizio dell’anno. La società ha registrato entrate (TTM) di 53,1 miliardi di dollari, un EPS (TTM) di 3,41 e un P/E (TTM) di 8,91. Paga un dividendo del 3,62%.

#2. Materialise NV

Questa azienda belga offre una vasta gamma di servizi di stampa 3D, tra cui la stampa di metalli e polimeri. L’azienda è particolarmente nota per la sua esperienza nel settore sanitario, dove utilizza la stampa 3D per impianti, guide chirurgiche e modelli anatomici.

Lo scorso anno, Ricoh, un’azienda giapponese di immagini e elettronica, ha collaborato con Materialise per portare la stampa 3D assistita a punti di cura negli ospedali statunitensi, che consentirà la produzione di modelli anatomici dell’anatomia di un paziente. E lo scorso mese, Materialise ha lanciato un trattamento personalizzato per l’articolazione temporo-mandibolare (TMJ) stampato in 3D.

Con un capitale di 293,56 milioni di dollari, le azioni della società sono scambiate a 5,36 dollari, in calo del 24% dall’inizio dell’anno. La società ha registrato entrate (TTM) di 278,69 milioni di dollari, un EPS (TTM) di 0,13 e un P/E (TTM) di 39,57.

Recentemente, l’azienda ha annunciato i suoi risultati finanziari per il quarto trimestre e l’intero 2023, durante i quali le sue entrate sono aumentate del 4,1% a 65,3 milioni di euro e del 10,4% a 256,1 milioni di euro, rispettivamente, nonostante le “condizioni macroeconomiche e geopolitiche turbolente”.

Materialise ha anche segnalato 128 milioni di euro in contanti e contanti equivalenti, che il suo amministratore delegato Brigitte de Vet-Veithen ha affermato, insieme alla finanza aggiuntiva garantita, la rende “ben posizionata” per continuare a offrire soluzioni di prodotti e software 3D innovative.

Conclusione

Come abbiamo notato sopra, la stampa 3D ha alcuni grandi vantaggi in diversi settori, tra cui medicina, automotive, aerospaziale, beni di consumo, gioielli e difesa e militare. Sebbene stia già vedendo un crescente interesse e utilizzo, la sua adozione aumenterà solo negli anni a venire, man mano che ulteriori ricerche consentiranno la produzione di oggetti su larga scala. Il futuro della stampa 3D è semplicemente luminoso, mostrando la promessa di rivoluzionare la produzione e creare un futuro più resiliente.