3D-Printed Microscopic Particles Could Change Medicine and Electronics

Revolusjoner i 3D-utskriftsverden skjer i raskt tempo. Tidligere denne måneden lagde et selskap i Tyskland Wave House ved hjelp av 3D-utskrift. Dette er Europas største 3D-utskreftede bygning, som måler 600 kvadratmeter (6 600 kvadratfot), og har et uvanlig utseende med en bølgedesign som ikke kunne realiseres gjennom konvensjonelle byggeteknikker. 3D-byggeutskriftsteknologi ga designfriheten og tok omtrent 140 timer.

For bare en uke siden åpnet verdens første 3D-utskreftede moske, som dekker et område på 5 600 kvadratmeter, i Jeddah, Saudi-Arabia. Det tok seks måneder å fullføre moskéens konstruksjon.

Når det gjelder 3D-utskriftsteknologi, har det Texas-baserte selskapet ICON nylig presentert sin nye 3D-utskriftmaskin med en robotarm kalt Phoenix. Denne skriveren kan lage fleretasjers strukturer med fullstendig lukkede systemer fra en lavkarbonblanding. På 21 meter høy tillater Phoenix høyere konstruksjon (inntil 8 meter høy) enn ICONs nåværende skriver, Vulcan, som har et gantrysystem med chassis nærmere bakken.

Selskapet har også kunngjort utviklingen av en ny materialembling kalt CarbonX, som er “det lavest karbonholdige boligsystemet som er klart til å brukes i stor skala.” Videre har ICON integrert kunstig intelligens i sine systemer, slik at alle kan designe 3D-utskrivbare hjemmeskjemaer via sin Vitruvius-plattform.

Men dette er ikke alt. Forrige måned tillot 3D-utskrift skapning av ekstremt realistiske protesøye i bare 90 minutter, i motsetning til de vanlige 8 timene det tar en erfaren tekniker å produsere en manuelt. Deretter er det 3D-utskrift av droner, drivstoff og eksplosiver.

3D-utskrift, som vi dekket ovenfor, utvikler seg åpenbart i raskt tempo, noe som har mening, gitt at interessen for dette feltet øker enormt. Den økende interessen har vært på grunn av denne teknikken mulighet til å lage tilpassede former og utskrive flere typer materialer i ett del, noe som sparer penger og materiale samtidig som det er miljøvennlig.

Også kjent som additiv produksjon, innebærer 3D-utskrift lagvis plassering av et materiale ved hjelp av en skriver for å bygge et objekt. Men det er ikke uten utfordringer, særlig når det gjelder begrensede materialer, formgivning av visse materialer, begrensede størrelser, designfeil og mer.

Derfor arbeider forskere med å finne måter å overvinne disse utfordringene og gjøre 3D-utskrift enda mer effektiv og brukbar i stor skala.

Nylig ble det utviklet en ny prosess for 3D-utskrift på mikroskala som utvikler partikler, med en hastighet på opptil 1 million hver dag, i nærmest hvilken som helst form for bruk i produksjon, medisin og forskning.

3D-utskrift av mikroskopiske partikler

Publisert i Nature, er studien kalt “Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles” og utført av forskere fra Stanford University.

De som deltok i studien inkluderer Jason M. Kronenfeld, en ph.d.-student fra Stanfords kjemidepartement, mens Lukas Rother og Maria T. Dulay begge arbeider ved radiologidepartementet. Begge Max A. Saccone og Joseph M. DeSimone tilhører radiologidepartementet samt kjemiteknisk departement.

I studien noterte forskerne hvordan partikkelfabrikasjon blir mer populært takket være sine mange anvendelser i mikroelektronikk, abrasiver, granulære systemer, mikrofluidikk, bioingeniørkunst og legemiddel- og vaksinedistribusjon.

Selv om disse ekstremt små 3D-utskreftede partiklene har en rekke anvendelser, krever de presis samordning mellom sceneforskyvning, lyslevering og harp (en svært klissete substans) egenskaper. Dette gjør skala-fabrikasjon av slike tilpassede mikroskala-partikler vanskelig å oppnå.

Derfor innførte Stanford-forskerne en høyoppløselig 3D-utskriftsteknikk, som er skalerbar for fabrikasjon av form-spesifikke partikler. Denne prosessen, som er basert på rull-til-rull kontinuerlig flytende grensesnittsproduksjon (r2rCLIP), er mye mer effektiv til å utskrive enorme mengder tilpassede og høydetaljerte mikroskala-partikler per dag.

Ifølge studiens hovedforfatter, Kronenfeld, en ph.d.-kandidat i DeSimone-laboratoriet, tillater denne teknikken mer komplekse former å bli skapt på mikroskala, av en rekke materialer, og med hastigheter som ikke har vært sett før for partikkelfabrikasjon.

Forskningen bygger på utskriftsteknikken kalt kontinuerlig flytende grensesnittsproduksjon (CLIP), som ble introdusert for nesten et tiår siden, i 2015, av DeSimone og kolleger.

CLIP bruker UV-lys og projiserer det i skiver for å herde harp raskt inn i den ønskede formen. Det som skiller denne teknikken fra andre er at over UV-lysbildet er det et vindu som tillater oksygen å trenge gjennom. Dette oksygen-gjennomtrengelige vinduet forhindrer at flytende harp klistrer til det ved å skape det som kalles en “død sone”. Derfor kan vi herde ømfintlige trekk uten å river hver lag fra vinduet, noe som resulterer i raskere partikkelfabrikasjon.

Medforfatter DeSimone, som er Sanjiv Sam Gambhir-professor i translasjonsmedisin ved Stanford og som har vært ansvarlig for flere gjennombrudd i feltene medisinske enheter, nanomedisin og 3D-utskrift, sa:

“Å bruke lys til å fabrikere objekter uten formverkty åpner opp en helt ny horisont i partikkelfeltet.”

Å gjøre det mulig på en skalerbar nivå kan videre gi muligheter til å bruke disse partiklene “til å drive fremtidens industrier,” la han til.

Klikk her for å lære hva som gjør 3D-utskrift til et potensielt 500 milliarder dollar marked.

r2rCLIP for å muliggjøre masseproduksjon

Basert på CLIP, skapte forskerne en ny prosess for masseproduksjon av unikt formede nanoskala-partikler. Først spente de en film og sendte den til CLIP-skriveren, hvor hundredvis av former ble utskrevet på filmen samtidig.

Deretter ble den flyttet til vasking, herding og fjerning av formene. Alle disse stegene kan tilpasses avhengig av materialet som brukes og formen som er involvert. Den tomme filmen, til slutt, rulles tilbake, derav navnet rull-til-rull CLIP, eller r2rCLIP.

Bruken av single-digit, mikron-oppløsningsoptikk, sammen med en kontinuerlig rull film i stedet for en statisk plattform, enablet forskerne å oppnå rask permutable fabrikasjon samt løft av partikler fra forskjellige materialer og med mer intrikate geometrier.

Ifølge studien inkluderte geometriene de som ikke kunne oppnås med avanserte form-baserte tekniker, og viste dermed de unike egenskapene til teamets tilnærming.

Både formbare og ikke-formbare former av r2rCLIP ble vist med voxel (en enkelt prøve på en jevnt fordelt, 3D-rutenett) størrelser på 2,0 × 2,0 µm2 i utskrift og med en ubeskyttet tykkelse på 1,1 ± 0,3 µm.

Før rull-til-rull CLIP, måtte en batch med utskrevne partikler behandles manuelt, noe som er en langsom prosess som krever stor fysisk innsats. Automatiseringen av r2rCLIP tillater nå fabrikasjon på et utenforliggende nivå, dvs. opptil 1 000 000 partikler hver enkelt dag.

Partikkelfabrikasjonsprosessen oppnådde full automatisering gjennom erstatning av CLIP-skriverens statiske byggeplate med en kontinuerlig-film, modulær, rull-til-rull-system. Dette tillater automatisert in-line etterbehandling som inkluderer rensing, etterherding og partikkel-løft (høsting).

I sin artikkel noterte teamet at en stor fordel med å bruke sin rull-til-rull CLIP-teknikk for partikkelfabrikasjon er dens innbygde form-løs prosess. Dette muliggjør produksjon av en rekke partikkelgeometrier uten å måtte endre layouten.

Når det gjelder partikkelfabrikasjon, involverer forskjellige tilnærminger kompromisser mellom skalerbarhet, hastighet, ensartethet, materialeegenskaper og geometrisk kontroll. For eksempel, mens noen prosesser kan utskrive på nanometerskala, er de ofte langsommere.

“Vi navigerer en presis balanse mellom hastighet og oppløsning,” sa Kronenfeld. Deres teknikk, la han til, er “distinkt kapabel” til å produsere høyoppløselige utdata, men den kan også bevare hastigheten nødvendig for å møte partikkelproduksjonsvolumene nødvendige for forskjellige anvendelser.

Han la til:

“Teknikker med potensiale for translasjonsinnvirkning må være fysisk tilpassbare fra laboratorie-skala til industriell produksjon.”

Vidstrakte anvendelser

Forskningen, som ble finansiert av National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program og Bill & Melinda Gates Foundation, har som mål å bli vidt akseptert av andre forskere og industrien.

Med 3D-utskrift i rask utvikling, står r2rCLIP her som “en grunnleggende teknologi,” sa DeSimone, som er medgrunnlegger av Stanfords Center for STEMM Mentorship, meddirektør for Canary Center at Stanford for Cancer Early Detection, og en fakultetsfellow av Sarafan ChEM-H.

Men ifølge DeSimone, begynner industrien å fokusere på 3D-produkter i stedet for disse prosessene, som “blir åpenbart verdifulle og nyttige.” Så spørsmålet nå er:

“Hva er de høyverdi-anvendelsene?”

Ifølge studien muliggjør mikroskopiske partikler med intrikate designs direkte integrasjon innen analytiske, biomedisinske og avanserte material-applikasjoner.

Forskerne selv har eksperimentert med produksjon av både myke og harde partikler, laget av hydrogeler, som kan se anvendelser i legemiddeldistribusjon i kroppen, og keramiske materialer, som kan brukes i mikroelektronikkproduksjon.

Ved å bruke dem i produksjon av hydrogel-partikler, blir det mulig å fylle disse partiklene for å oppnå justerbare, gradient- eller pulsatile-frigjøringsprofiler i en enkelt injeksjon. Mange studier tidligere har utforsket skapning av egnet fotopolymer-harp-systemer og undersøkt innflytelsen av materialers form, størrelse og biokompatibilitet på lokalitet og distribusjon. Dette ledet til skapning av bioskjeletter og distribusjonsmanifolder, som åpnet opp mange muligheter for å fabrikere hydrogel-partikler for legemiddeldistribusjon, uten å involvere en skalerbar, permutable fabrikasjonsprosess.

Her fabrikkerte teamet hydrogel-kuber på 400 µm enhetlig størrelse og fylte dem manuelt med omtrent åtte nl med representativt last post-utskrift, etterfulgt av topp med en hydrogel-kappe. Studien viste potensialet for et programmerbart pallet med last-frigjøringsprofiler gjennom fremtidig forskning ved å bygge på tidligere studier om legemiddeldistribusjonskjøretøy-kinetikk og utnytte de justerbare egenskapene til molekylær vekt og veggtykkelse.

Materialet og den mekaniske fleksibiliteten, fra keramiske til hydrogel, kan også assistere i skapning av smarte materialer. Derfor, ved å demonstrere fabrikasjons-potensialet over så vidt et spekter, har denne skalerbare partikkelfabrikasjons-tilnærmingen også potensiell anvendelse i mikro-verktøy og elektronikk, la den til.

Den høye gjennomstrømmingen av teknikken (r2rCLIP), samtidig, har direkte implikasjoner for industriell-skala produksjon av mikro-enheter som mikro-roboter og last-distribusjonssystemer. Dette er særlig støttet for produksjon av keramiske materialer.

Ved å bruke pre-keramiske harper til å produsere tekniske keramiske partikler i stor skala, sier studien, kan det ha mulige anvendelser i mikro-elektromekaniske systemer, mekanisk planareringsteknikker som slurry-komponenter og ledende partikler som vil tillate industrielle anvendelser som telekommunikasjon og helse.

Ifølge Dulay, en senior forskningsvitenskapsmann:

“Det er en rekke anvendelser, og vi er bare begynt å utforske dem. Det er ganske ekstraordinært hvor vi er med denne teknikken.”

Selskaper som bruker innovative tilnærminger til additiv produksjon

Nå, la oss se på et par selskaper som er i fremkant av 3D-utskrift:

#1. HP Inc.

Et kjent navn i den tradisjonelle utskriftsindustrien, har HP Inc. vært med på å gjøre mange bevegelser i 3D-utskrift, som inkluderer sin Multi Jet Fusion (MJF)-teknologi, som er designet for industriell produksjon. Den tilbyr høyhastighets 3D-utskrift og evnen til å kontrollere egenskapene til hver enkelt voxel. Selskapets Jet Fusion for industriell produksjon og prototyping inkluderer 5600-serien for å optimalisere applikasjoner for fleksibel produksjon i skala 1, 5400-serien for kvalitets-hvite applikasjoner, 5200-serien for å produsere høyverdi 3D-delproduksjon, og 4200 for å optimalisere produktivitet og kostnad.

Denne uken planlegger HP å vise 3D-utskrevne deler som utnytter sin nye materiale, PA 12 S, på den årlige AM Forum-konferansen i Berlin. Materialet er spesiallaget for selskapets 3D-polymerløsninger som brukes i industrier og tilbyr fordeler som kostnadsreduksjon og utmerket overflate-estetikk.

Med en markedskapitalisering på 29,83 milliarder dollar, handles selskapets aksjer for 30,66 dollar, opp 1,1 prosent år til dato (YTD). Selskapet har rapportert omsetning (TTM) på 53,1 milliarder dollar, en EPS (TTM) på 3,41, og en P/E (TTM) på 8,91. Det betaler en utbytteavkastning på 3,62 prosent.

#2. Materialise NV

Dette belgiske selskapet tilbyr en rekke 3D-utskriftstjenester, inkludert metall- og polymer-utskrift. Selskapet er særlig kjent for sin ekspertise i helse-sektoren, der det brukes 3D-utskrift for implantater, kirurgiske guider og anatomiske modeller.

For noen måneder siden inngikk Ricoh, et japansk selskap for bildeskapning og elektronikk, en avtale med Materialise for å bringe punkt-til-punkt 3D-utskrift til amerikanske sykehus, noe som vil muliggjøre produksjon av anatomiske modeller av en pasients anatomi. Og for noen uker siden lanserte Materialise en personlig 3D-utskrevet temporomandibular-ledd (TMJ)-behandling.

Med en markedskapitalisering på 293,56 millioner dollar, handles selskapets aksjer for 5,36 dollar, ned over 24 prosent år til dato. Selskapet har rapportert omsetning (TTM) på 278,69 millioner dollar, en EPS (TTM) på 0,13, og en P/E (TTM) på 39,57.

Nylig kunngjorde selskapet sine finansielle resultater for Q4 og hele 2023, hvor omsetningen økte med 4,1 prosent til 65,3 millioner euro og 10,4 prosent til 256,1 millioner euro, henholdsvis, til tross for “turbulente makroøkonomiske og geopolitiske forhold”.

Materialise rapporterte også 128 millioner euro i kontanter og kontantlike midler, som selskapets administrerende direktør Brigitte de Vet-Veithen sa, sammen med ytterligere finansiering, gjør det “vel posisjonert” for å fortsette å tilby innovative 3D-produkt- og programvareløsninger.

Konklusjon

Som vi noterte ovenfor, har 3D-utskrift noen store fordeler i flere industrier, inkludert medisinsk, bil, fly, forbruksgoder, smykker og forsvar og militær. Mens det allerede ser en økende nysgjerrighet og bruk, vil dets aksept blotte øke i årene som kommer, ettersom mer forskning tillater produksjon av objekter i stor skala. Fremtiden for 3D-utskrift er enkelt sagt lys, og viser løftet om å revolusjonere produksjon og skape en mer motstandsdyktig fremtid.