3D‑geprinte microscopische deeltjes kunnen de geneeskunde en elektronica veranderen

Revoluties in de 3D‑printwereld gebeuren in een snel tempo. Eerder deze maand heeft een bedrijf in Duitsland gecreëerd de Wave House met 3D‑printen. Het is het grootste 3D‑geprinte gebouw van Europa, met een oppervlakte van 600 m² (6.600 ft²), en heeft een ongebruikelijk uiterlijk doordat het een golfontwerp heeft dat niet via conventionele bouwmethoden kon worden gerealiseerd. 3D‑constructie‑printtechnologie gaf de ontwerpvrijheid en duurde ongeveer 140 uur.

Afgelopen week opende de eerste ooit 3D‑geprinte moskee ter wereld, met een oppervlakte van 5.600 m², in Jeddah, Saoedi‑Arabïë. Het duurde zes maanden om de bouw van de moskee te voltooien.

Als het gaat om 3D‑printtechnologie, heeft het in Texas gevestigde ICON onlangs onthuld zijn robotarm‑gemonteerde 3D‑printer genaamd Phoenix. Deze printer kan meerlagige constructies maken met volledig afgesloten systemen uit een koolstofarm mengsel. Met een hoogte van 70 voet maakt Phoenix hogere constructies mogelijk (tot 27 voet) dan ICON’s huidige printer, de Vulcan, die een portaal‑systeem heeft met het chassis dichter bij de grond.

Het bedrijf heeft ook de ontwikkeling aangekondigd van een nieuw materiaalmengsel genaamd CarbonX, dat wordt omschreven als “het laagste koolstofresidentiële bouwsysteem dat klaar is voor grootschalig gebruik.” Bovendien heeft ICON AI geïntegreerd in zijn systemen, zodat iedereen 3D‑printbare woningontwerpen kan maken via het Vitruvius‑platform.

Maar dat is nog niet alles. Vorige maand maakte 3D‑printen de creatie van extreem realistisch uitziende prothetische ogen mogelijk in slechts 90 minuten, in tegenstelling tot de gebruikelijke 8 uur die een bekwame technicus nodig heeft om er één handmatig te produceren. Daarnaast is er 3D‑printen van drones, raketbrandstoffen en explosieven.

3D‑printen, zoals hierboven besproken, ontwikkelt zich duidelijk in een snel tempo, wat logisch is gezien de enorme toename van interesse in dit vakgebied. De groeiende belangstelling is te danken aan het vermogen van deze techniek om aangepaste vormen te maken en meerdere soorten materiaal in één onderdeel te printen, waardoor geld en materiaal worden bespaard en het milieuvriendelijk is.

Ook wel additive manufacturing genoemd, omvat 3D‑printen het stapelen van een materiaal laag voor laag met behulp van een printer om een object te bouwen. Het kent echter wel uitdagingen, met name op het gebied van beperkte materialen, het vormen van bepaalde materialen, beperkte afmetingen, ontwerpfouten en meer.

Daarom werken wetenschappers aan manieren om deze uitdagingen te overwinnen en 3D‑printen nog effectiever en schaalbaar te maken.

Recent heeft een studie een nieuw proces voor microschaal‑3D‑printen ontwikkeld dat deeltjes produceert, tot wel 1 miljoen per dag, in bijna elke vorm voor gebruik in de productie, geneeskunde en onderzoek.

3D‑printen van microscopische deeltjes

Gepubliceerd in Nature, heet de studie “Roll‑to‑roll, high‑resolution 3D printing of shape‑specific particles” en is uitgevoerd door onderzoekers van de Stanford University.

Deelnemers aan de studie zijn onder andere Jason M. Kronenfeld, een Ph.D.-promovendus van de afdeling Chemie van Stanford, terwijl Lukas Rother en Maria T. Dulay beiden werken bij de afdeling Radiologie. Zowel Max A. Saccone als Joseph M. DeSimone behoren tot de afdeling Radiologie en de afdeling Chemische Technologie.

In de studie merkten de onderzoekers op dat de fabricage van deeltjes steeds populairder wordt dankzij de diverse toepassingen in micro‑elektronica, schuurmiddelen, granulaire systemen, micro‑fluidica, bio‑engineering en de levering van geneesmiddelen en vaccins.

Hoewel deze extreem kleine 3D‑geprinte deeltjes een breed scala aan toepassingen hebben, vereisen ze een precieze coördinatie tussen de beweging van het platform, de lichtlevering en de eigenschappen van het hars (een zeer kleverige substantie). Dit maakt schaalbare fabricage van dergelijke op maat gemaakte microschaaldeeltjes moeilijk te realiseren.

Daarom introduceerden de Stanford‑onderzoekers een high‑resolution 3D‑printtechniek die schaalbaar is voor de fabricage van vorm‑specifieke deeltjes. Deze verwerkingsmethode, gebaseerd op roll‑to‑roll continue vloeistof‑interface productie (r2rCLIP), is veel efficiënter bij het dagelijks printen van enorme hoeveelheden aanpasbare en zeer gedetailleerde microschaaldeeltjes.

Volgens de hoofd auteur van de studie, Kronenfeld, een Ph.D.-kandidaat in het DeSimone‑lab, maakt deze techniek het mogelijk om complexere vormen te creëren op microschaal, uit een breed scala aan materialen, en met snelheden die nog niet eerder zijn gezien voor deeltjesfabricage.

Het onderzoek bouwt voort op de printtechniek genaamd continuous liquid interface production (CLIP), die bijna een decennium geleden, in 2015, werd geïntroduceerd door DeSimone en collega’s.

CLIP maakt gebruik van UV‑licht en projecteert dit in lagen om het hars snel te laten uitharden tot de gewenste vorm. Wat deze techniek onderscheidt, is dat er boven de UV‑lichtprojector een venster zit dat zuurstof kan doorlaten. Dit zuurstofdoorlatende venster voorkomt dat het vloeibare hars eraan blijft kleven door een zogenaamde “dead zone” te creëren. Hierdoor kunnen we delicate kenmerken uitharden zonder elke laag van het venster te scheuren, wat leidt tot snellere deeltjesprinten.

De mede‑auteur DeSimone, die de Sanjiv Sam Gambhir‑professor van Translational Medicine aan Stanford is en verantwoordelijk is geweest voor verschillende doorbraken op het gebied van medische apparaten, nanomedicijnen en 3D‑printen, zei:

“Met licht objecten zonder mallen te fabriceren, opent een geheel nieuw horizon in de deeltjeswereld.”

Het op schaal realiseren kan bovendien kansen bieden om deze deeltjes te gebruiken “om de industrieën van de toekomst aan te drijven,” voegde hij toe.

Klik hier om te ontdekken wat 3D‑printen een potentiële markt van $500 miljard maakt.

r2rCLIP om massaproductie mogelijk te maken

Gebaseerd op CLIP ontwikkelden de onderzoekers een nieuw proces voor massaproductie van uniek gevormde nanoschaaldeeltjes. Eerst spannen ze een film zorgvuldig en stuurden deze naar de CLIP‑printer, waar honderden vormen gelijktijdig op de film werden geprint.

Vervolgens wordt het overgebracht naar wassen, uitharden en het verwijderen van de vormen. Al deze stappen kunnen worden aangepast afhankelijk van het gebruikte materiaal en de betrokken vorm. De lege film wordt uiteindelijk weer opgerold, vandaar de naam roll‑to‑roll CLIP, of r2rCLIP.

Het gebruik van enkelcijferige, micron‑resolutie‑optica, samen met een continue filmrol in plaats van een statisch platform, stelde de onderzoekers in staat om snelle, verwisselbare fabricage te realiseren, evenals het loslaten van deeltjes uit verschillende materialen met meer ingewikkelde geometrieën.

Volgens de studie omvatten de geometrieën vormen die niet konden worden bereikt met geavanceerde mal‑gebaseerde technieken, wat de unieke mogelijkheden van de aanpak van het team aantoont.

Zowel de vormbare als niet‑vormbare vormen van r2rCLIP werden getoond met voxel‑groottes (een enkel monster op een regelmatig gespreide 3D‑rooster) van 2,0 × 2,0 µm² tijdens het printen en een niet‑ondersteunde dikte van 1,1 ± 0,3 µm.

Voor roll‑to‑roll CLIP moest een batch geprinte deeltjes handmatig worden verwerkt, wat een traag proces is dat veel fysieke inspanning vereist. De automatisering van r2rCLIP maakt nu fabricage op een ongekend niveau mogelijk, namelijk tot 1.000.000 deeltjes per dag.

Het deeltjes‑printproces bereikte volledige automatisering door de statische bouwplaat van de CLIP‑printer te vervangen door een continue film, modulair roll‑to‑roll‑systeem. Dit maakt geautomatiseerde inline naverwerking mogelijk, waaronder reinigen, nabehandeling en het losmaken (oogsten) van deeltjes.

In hun artikel merkten ze op dat een groot voordeel van het gebruik van hun roll‑to‑roll CLIP‑techniek voor deeltjesfabricage het inherente mal‑vrije proces is. Dit maakt de productie van een breed scala aan deeltjesgeometrieën mogelijk zonder de lay‑out te hoeven wijzigen.

Bij deeltjesfabricage brengen verschillende benaderingen afwegingen met zich mee tussen schaalbaarheid, snelheid, uniformiteit, materiaaleigenschappen en geometrische controle. Bijvoorbeeld, hoewel sommige processen op nanometerschaal kunnen printen, zijn ze doorgaans trager.

“We navigeren een precieze balans tussen snelheid en resolutie,” zei Kronenfeld. Hun techniek, merkte hij op, is “bijzonder in staat” om output met hoge resolutie te vervaardigen, maar kan ook de snelheid behouden die nodig is om de deeltjesproductievolumes te halen die voor verschillende toepassingen vereist zijn.

Hij voegde toe:

“Technieken met potentieel voor translationele impact moeten haalbaar aanpasbaar zijn van de schaal van het onderzoekslab naar die van industriële productie.”

Uitgebreide toepassingen

Het onderzoek, dat werd gefinancierd door het National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program en de Bill & Melinda Gates Foundation, is bedoeld om breed geadopteerd te worden door andere onderzoekers en de industrie.

Met de snelle evolutie van 3D‑printen wordt r2rCLIP hier beschouwd als “een fundamentele technologie,” zei DeSimone, die oprichter‑faculteitsdirecteur is van Stanford’s Center for STEMM Mentorship, co‑directeur van het Canary Center aan Stanford voor vroege detectie van kanker, en faculteitsmedewerker van Sarafan ChEM‑H.

Volgens DeSimone richt de industrie zich echter steeds meer op 3D‑producten in plaats van op deze processen, die “duidelijk waardevol en nuttig worden.” Dus de vraag nu is:

“Wat zijn de toepassingen met hoge waarde?”

Volgens de studie maken microscopische deeltjes met ingewikkelde ontwerpen directe integratie mogelijk binnen analytische, biomedische en geavanceerde materiaaltoepassingen.

De onderzoekers zelf hebben geëxperimenteerd met de productie van zowel zachte als harde deeltjes, gemaakt van hydrogel, die toepassingen kunnen vinden in geneesmiddellevering in het lichaam, en keramiek, dat kan worden gebruikt in de productie van micro‑elektronica.

Door ze te gebruiken bij de productie van hydrogeldeeltjes, wordt het mogelijk om deze deeltjes te vullen om verstelbare, graduele of pulsatieve afgifteprofielen te bereiken in één injectie. Veel eerdere studies onderzochten de creatie van geschikte fotopolymeer‑resinsystemen en bestudeerden de invloed van vorm, grootte en biocompatibiliteit van materialen op lokalisatie en levering. Dit leidde tot de creatie van bioscaffolds en leveringsmanifolds, die tal van mogelijkheden openden voor het fabriceren van hydrogeldeeltjes voor geneesmiddellevering, ondanks het ontbreken van een schaalbaar, verwisselbaar fabricageproces.

Hier vervaardigde het team hydrogelkubussen van 400 µm eenheidsgrootte en vulde ze handmatig met ongeveer acht nl van representatieve lading na het printen, gevolgd door een hydrogelkap. De studie benadrukte het potentieel voor een programmeerbare ladingafgifte via toekomstig onderzoek, voortbouwend op eerdere studies over de kinetiek van geneesmiddelleveringsvoertuigen en gebruikmakend van de aanpasbare eigenschappen van molecuulgewicht en wanddikte.

De materiaal‑ en mechanische veelzijdigheid, van keramiek tot hydrogel, kan ook bijdragen aan de creatie van slimme materialen. Door dus het fabricatiepotentieel over zo’n breed scala te demonstreren, heeft deze schaalbare deeltjesproductiebenadering ook potentiële toepassingen in micro‑gereedschappen en elektronica, voegde hij toe.

De hoge doorvoersnelheid van de techniek (r2rCLIP) heeft ondertussen directe implicaties voor industriële productie op schaal van micro‑apparaten zoals microrobots en ladingafgiftesystemen. Dit is met name gunstig voor de productie van keramische materialen.

Door pre‑keramische harsen te gebruiken om technische keramische deeltjes op massale schaal te vervaardigen, kan de studie mogelijke toepassingen hebben in micro‑elektromechanische systemen, mechanische planariseringsmethoden als slurry‑componenten, en geleidende deeltjes die industriële toepassingen zoals telecommunicatie en gezondheidszorg mogelijk maken.

Volgens Dulay, een senior onderzoeker:

“Er is een breed scala aan toepassingen, en we staan nog maar aan het begin van het verkennen ervan. Het is behoorlijk buitengewoon waar we nu staan met deze techniek.”

Bedrijven die innovatieve benaderingen van additive manufacturing gebruiken

Laten we nu een paar bedrijven bekijken die voorop lopen in 3D‑printen:

#1. HP Inc.

Een bekende naam in de traditionele drukindustrie, HP Inc. (HPQ ), heeft veel stappen gezet in 3D‑printen, met name met zijn Multi Jet Fusion (MJF)‑technologie, die is ontworpen voor industriële productie. Het biedt high‑speed 3D‑printen en de mogelijkheid om de eigenschappen van elk individueel voxel te beheersen. De Jet Fusion van het bedrijf voor industriële productie en prototyping omvat de 5600‑serie om toepassingen voor flexibele productie op schaal te optimaliseren, de 5400‑serie voor hoogwaardige witte toepassingen, de 5200‑serie voor de productie van hoogwaardige definitieve 3D‑onderdelen, en de 4200‑serie om productiviteit en kosten te optimaliseren.

Deze week is HP van plan om 3D‑geprinte onderdelen te tonen die gebruikmaken van hun nieuwe materiaal, PA 12 S, op de jaarlijkse AM Forum Conference in Berlijn. Het materiaal is op maat gemaakt voor de 3D‑polymeeroplossingen van het bedrijf die in verschillende sectoren worden gebruikt en biedt voordelen zoals kostenreductie en uitstekende oppervlakte‑esthetiek.

Met een marktkapitalisatie van $29,83 mlrd handelen de aandelen van het bedrijf op $30,66, een stijging van 1,1 % jaar‑tot‑datum (YTD). Het bedrijf heeft een omzet (TTM) van $53,1 mlrd gerapporteerd, een EPS (TTM) van 3,41 en een P/E (TTM) van 8,91. Het betaalt een dividendrendement van 3,62 %..

#2. Materialise NV

Dit in België gevestigde bedrijf biedt een breed scala aan 3D‑printdiensten, waaronder metaal‑ en polymeerprinten. Het bedrijf staat vooral bekend om zijn expertise in de gezondheidszorg, waar het 3D‑printen gebruikt voor implantaten, chirurgische gidsen en anatomische modellen.

Eind vorig jaar ging Ricoh, een Japans imaging‑ en elektronicabedrijf, een partnerschap aan met Materialise om point‑of‑care 3D‑printen naar Amerikaanse ziekenhuizen te brengen, waardoor de productie van anatomische modellen van de anatomie van een patiënt mogelijk wordt. En vorige maand lanceerde Materialise een gepersonaliseerde 3D‑geprinte behandeling van het temporomandibulaire gewricht (TMJ).

Met een marktkapitalisatie van $293,56 mln handelen de aandelen van het bedrijf op $5,36, een daling van meer dan 24 % YTD. Het bedrijf heeft een omzet (TTM) van $278,69 mln, een EPS (TTM) van 0,13 en een P/E (TTM) van 39,57 gerapporteerd.

Recent kondigde het bedrijf zijn financiële resultaten aan voor Q4 en het volledige jaar 2023, waarbij de omzet respectievelijk met 4,1 % steeg tot €65,3 miljoen en met 10,4 % tot €256,1 miljoen, ondanks de “turbulente macro‑economische en geopolitieke omstandigheden.”

Materialise meldde ook €128 miljoen aan contanten en kasequivalenten, wat volgens CEO Brigitte de Vet‑Veithen, samen met extra verkregen financiering, het bedrijf “goed gepositioneerd” maakt om innovatieve 3D‑product- en softwareoplossingen te blijven aanbieden.

Conclusie

Zoals we hierboven hebben opgemerkt, biedt 3D‑printen grote voordelen in verschillende sectoren, waaronder de medische, auto‑, lucht‑ en ruimtevaart, consumentengoederen, sieraden en defensie‑ en militaire industrie. Terwijl er al een groeiende belangstelling en gebruik is, zal de adoptie de komende jaren alleen maar toenemen naarmate meer onderzoek de productie van objecten op schaal mogelijk maakt. De toekomst van 3D‑printen is simpelweg rooskleurig, en toont de belofte om de productie te revolutioneren en een veerkrachtigere toekomst te creëren.