Le Particelle Microscopiche Stampate in 3D Potrebbero Cambiare Medicina ed Elettronica

Le rivoluzioni nel mondo della stampa 3D stanno avvenendo a ritmo veloce. All’inizio di questo mese, un’azienda in Germania creato la Wave House usando la stampa 3D. È l’edificio stampato in 3D più grande d’Europa, con una superficie di 600 m² (6.600 piedi quadrati), e ha un aspetto insolito poiché presenta un design a onda che non poteva essere realizzato con metodi di costruzione convenzionali. La tecnologia di stampa 3D per la costruzione ha offerto libertà di progettazione e ha richiesto circa 140 ore.

Solo la scorsa settimana, la prima al mondo moschea stampata in 3D, con una superficie di 5.600 m², è stata inaugurata a Jeddah, Arabia Saudita. Sono voluti sei mesi per completare la costruzione della moschea.

Per quanto riguarda la tecnologia di stampa 3D, la ICON con sede in Texas ha recentemente presentato la sua stampante 3D montata su braccio robotico chiamata Phoenix. Questa stampante può creare strutture a più piani con sistemi completamente chiusi da una miscela a basso contenuto di carbonio. Con un’altezza di 70 piedi, Phoenix consente costruzioni più alte (fino a 27 piedi) rispetto alla stampante attuale di ICON, la Vulcan, che ha un sistema a ponte 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 più basso contenuto di carbonio pronto per essere utilizzato su larga scala”. Inoltre, ICON ha integrato l’IA 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 consentito la creazione di occhi protesici estremamente realistici in soli 90 minuti, rispetto alle consuete 8 ore necessarie a un tecnico esperto per produrne uno manualmente. Inoltre 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 è comprensibile, dato che l’interesse per questo settore sta crescendo enormemente. L’interesse crescente è dovuto alla capacità di questa tecnica di creare forme personalizzate e stampare più tipi di materiale in un unico pezzo, risparmiando denaro e materiale, oltre a essere ecologica.

Detta anche manifattura additiva, la stampa 3D consiste nell’applicare strati di materiale uno sopra l’altro usando una stampante per costruire un oggetto. Tuttavia, non è priva di sfide, soprattutto per quanto riguarda i materiali limitati, la modellazione di alcuni materiali, le dimensioni ristrette, le imprecisioni di progettazione e altro.

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

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

Particelle Microscopia Stampate in 3D

Pubblicato su Nature, lo studio è intitolato “Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles” ed è stato condotto da ricercatori della Stanford University. 

I partecipanti allo studio includono Jason M. Kronenfeld, studente di dottorato presso il Dipartimento di Chimica della Stanford, mentre Lukas Rother e Maria T. Dulay lavorano entrambi al 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 osservato come la fabbricazione di particelle stia diventando popolare grazie alle sue diverse applicazioni in microelettronica, abrasivi, sistemi granulari, microfluidica, bioingegneria e somministrazione di farmaci e vaccini.

Mentre queste particelle stampate in 3D estremamente piccole hanno un’ampia gamma di applicazioni, richiedono un coordinamento preciso tra il movimento della piattaforma, la consegna della luce e le proprietà della resina (una sostanza molto appiccicosa). Questo rende difficile realizzare una fabbricazione scalabile di tali particelle personalizzate su microscala. 

Perciò, i ricercatori di Stanford hanno introdotto una tecnica di stampa 3D ad alta risoluzione, scalabile per la fabbricazione di particelle con forme specifiche. Questa tecnica di lavorazione, basata sulla produzione continua di interfaccia liquida roll-to-roll (r2rCLIP), è molto più efficiente nella stampa di grandi quantità di particelle microscopiche personalizzabili e altamente dettagliate al giorno.

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

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

CLIP utilizza luce UV e la proietta a fette per indurire rapidamente la resina nella forma desiderata. Ciò che distingue questa tecnica è che sopra il proiettore di luce UV c’è una finestra che permette il passaggio dell’ossigeno. Questa finestra permeabile all’ossigeno impedisce alla resina liquida di aderire creando quella che viene chiamata “zona morta”. In questo modo è possibile indurire caratteristiche delicate senza strappare ogni strato dalla finestra, il che porta a una stampa di particelle più rapida.

Il coautore DeSimone, professore Sanjiv Sam Gambhir di Medicina Traslazionale presso Stanford e responsabile di varie scoperte nei campi dei dispositivi medici, della nanomedicina e della stampa 3D, ha dichiarato:

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

Realizzarlo a livello scalabile può ulteriormente offrire opportunità di utilizzare queste particelle “per guidare le industrie del futuro,” ha aggiunto.

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r2rCLIP per Abilitare la Produzione di Massa

Basandosi su CLIP, i ricercatori hanno creato un nuovo processo per la produzione di massa di particelle di forma unica nanoscala. In primo luogo, hanno tensionato accuratamente una pellicola e l’hanno inviata alla stampante CLIP, dove centinaia di forme sono state stampate sulla pellicola contemporaneamente.

Successivamente, viene passata al lavaggio, alla curvatura e alla rimozione delle forme. Tutti questi passaggi possono essere personalizzati a seconda del materiale utilizzato e della forma coinvolta. Infine, la pellicola vuota viene riavvolta, da cui il nome roll-to-roll CLIP, o r2rCLIP. 

L’uso di ottiche a risoluzione micrometrica a singola cifra, insieme a un rotolo continuo di pellicola invece di una piattaforma statica, ha permesso ai ricercatori di ottenere una fabbricazione rapida e permutabile oltre al distacco delle particelle da diversi materiali e con geometrie più complesse. 

Secondo lo studio, le geometrie includevano quelle che non potevano essere ottenute con tecniche avanzate basate su stampi, dimostrando così le capacità uniche dell’approccio del team.

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

Prima del roll-to-roll CLIP, un lotto di particelle stampate doveva essere lavorato manualmente, un processo lento che richiede grande sforzo fisico. L’automazione di r2rCLIP ora consente una fabbricazione a un livello senza precedenti, cioè fino a 1.000.000 di particelle al giorno.

Il processo di stampa delle particelle ha raggiunto una piena automazione sostituendo la piastra di costruzione statica della stampante CLIP con un sistema modulare roll-to-roll a film continuo. Ciò consente una post-elaborazione in linea automatizzata che include pulizia, post-curvatura e distacco delle particelle (raccolta). 

Nel loro articolo, il team ha osservato che un grande vantaggio dell’utilizzo della tecnica roll-to-roll CLIP per la fabbricazione di particelle è il suo processo intrinsecamente senza stampi. Questo consente la produzione di un’ampia gamma di geometrie di particelle senza dover modificare il layout.

Per quanto riguarda la fabbricazione di particelle, i diversi approcci comportano compromessi tra scalabilità, velocità, uniformità, proprietà dei materiali e controllo geometrico. Ad esempio, mentre alcuni processi possono stampare su scala nanometrica, tendono ad essere più lenti. 

“Stiamo navigando un equilibrio preciso tra velocità e risoluzione,” ha detto Kronenfeld. La loro tecnica, ha osservato, è “distintivamente capace” di produrre risultati 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 praticabile dalla scala del laboratorio di ricerca a quella della produzione industriale.” 

Ampie Applicazioni

La ricerca, finanziata dal National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program e dalla Bill & Melinda Gates Foundation, mira ad essere ampiamente adottata da altri ricercatori e dall’industria.

Con la stampa 3D in rapida evoluzione, r2rCLIP si presenta qui come “una tecnologia fondamentale,” ha detto DeSimone, fondatore e direttore della facoltà del Center for STEMM Mentorship di Stanford, co-direttore del Canary Center di Stanford per la Rilevazione Precoce del Cancro, e borsista 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 design intricati consentono l’integrazione diretta all’interno di applicazioni analitiche, biomediche e di materiali avanzati.

I ricercatori stessi hanno sperimentato la produzione sia di particelle morbide che dure, realizzate in idrogel, che possono trovare applicazioni nella somministrazione di farmaci nel corpo, e ceramiche, che possono essere utilizzate nella produzione di microelettronica.

Utilizzandole nella produzione di particelle di idrogel, diventa possibile riempire queste particelle per ottenere profili di rilascio regolabili, a gradiente o pulsanti in una singola iniezione. Molti studi precedenti hanno esplorato la creazione di sistemi di resina fotopolimerica adeguati e hanno esaminato l’influenza della forma, delle dimensioni e della biocompatibilità dei materiali sulla localizzazione e sulla somministrazione. Ciò ha portato alla creazione di bioscaffold e manifold di consegna, aprendo numerose prospettive per la fabbricazione di particelle di idrogel per la somministrazione di farmaci, nonostante non coinvolgessero una procedura di fabbricazione scalabile e permutabile. 

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

La versatilità materiale e meccanica, dalla ceramica all’idrogel, può anche aiutare nella creazione di materiali intelligenti. Pertanto, dimostrando il potenziale di fabbricazione su un’ampia gamma, questo approccio di produzione scalabile di particelle ha anche potenziali applicazioni in microstrumenti ed elettronica, ha aggiunto. 

L’alta produttività della tecnica (r2rCLIP), nel frattempo, ha implicazioni dirette per la produzione su scala industriale di microdispositivi come microrobot e sistemi di consegna di carichi. Questo è particolarmente favorevole per la produzione di materiali ceramici. 

Utilizzando resine preceramiche per produrre particelle ceramiche tecniche su larga scala, lo studio afferma, si possono avere possibili applicazioni in sistemi microelettromeccanici, tecniche di planarizzazione meccanica come componenti di slurry, e particelle conduttive che consentiranno applicazioni industriali come le telecomunicazioni e la sanità.

Secondo Dulay, senior research scientist:

“C’è una vasta gamma di applicazioni, e stiamo appena iniziando a esplorarle. È davvero straordinario dove siamo arrivati con questa tecnica.”

Aziende che Utilizzano Approcci Innovativi alla Manifattura 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 nell’industria della stampa tradizionale, HP Inc. (HPQ ) ha compiuto numerose mosse nella stampa 3D, che coinvolge la sua tecnologia Multi Jet Fusion (MJF), progettata per la produzione industriale. Offre stampa 3D ad alta velocità e la capacità di controllare le proprietà di ogni singolo voxel. La Jet Fusion dell’azienda per la produzione industriale e la prototipazione comprende la serie 5600 per ottimizzare le applicazioni per una produzione flessibile su larga scala, la serie 5400 per applicazioni di alta qualità bianca, la serie 5200 per produrre parti 3D finali di alto valore, e la serie 4200 per ottimizzare produttività e costi.

Questa settimana, HP prevede di mostrare parti stampate in 3D sfruttando il suo nuovo materiale, PA 12 S, all’annuale AM Forum Conference di Berlino. Il materiale è realizzato su misura per le soluzioni polimeriche 3D dell’azienda utilizzate in vari settori e offre vantaggi come la riduzione dei costi e un’eccellente estetica superficiale.

Con una capitalizzazione di mercato di $29.83 bln, le azioni dell’azienda sono quotate a $30.66, in rialzo dell’1.1% anno fino ad oggi (YTD). L’azienda ha registrato un fatturato (TTM) di $53.1 bln, un EPS (TTM) di 3.41, e un P/E (TTM) di 8.91. Paga un rendimento da dividendo del 3.62%.

#2. Materialise NV

Questa azienda con sede in Belgio offre una vasta gamma di servizi di stampa 3D, inclusi la stampa di metalli e polimeri. È particolarmente nota per la sua esperienza nel settore sanitario, dove utilizza la stampa 3D per impianti, guide chirurgiche e modelli anatomici. 

Alla fine dello scorso anno, Ricoh, azienda giapponese di imaging ed elettronica, ha collaborato con Materialise per introdurre la stampa 3D point-of-care negli ospedali statunitensi, consentendo la produzione di modelli anatomici dell’anatomia di un paziente. E il mese scorso, Materialise ha lanciato un trattamento personalizzato della articolazione temporo-mandibolare (TMJ) stampata in 3D.

Con una capitalizzazione di mercato di $293.56 mln, le azioni dell’azienda sono quotate a $5.36, in calo di oltre il 24% YTD. L’azienda ha registrato un fatturato (TTM) di $278.69 mln, un EPS (TTM) di 0.13, e un P/E (TTM) di 39.57.

Recentemente, l’azienda ha annunciato i risultati finanziari per il Q4 e l’intero 2023, durante i quali il suo fatturato è aumentato del 4,1% a €65.3 milioni e del 10,4% a €256.1 milioni, rispettivamente, nonostante le “condizioni macroeconomiche e geopolitiche turbolenti”.

Materialise ha inoltre segnalato €128 milioni in liquidità e equivalenti, che il suo CEO Brigitte de Vet-Veithen ha affermato, insieme a finanziamenti aggiuntivi garantiti, la rendono “ben posizionata” per continuare a offrire soluzioni innovative di prodotti 3D e software.

Conclusione

Come abbiamo notato sopra, la stampa 3D offre grandi vantaggi in diversi settori, tra cui medico, automobilistico, aerospaziale, beni di consumo, gioielleria e difesa e militare. Sebbene stia già suscitando crescente curiosità e utilizzo, la sua adozione continuerà a crescere nei prossimi anni man mano che ulteriori ricerche consentiranno la produzione di oggetti su larga scala. Il futuro della stampa 3D è semplicemente luminoso, dimostrando la promessa di rivoluzionare la produzione e creare un futuro più resiliente.