3D‑printede mikroskopiske partikler kan endre medisin og elektronikk

Revolusjoner innen 3D‑printverdenen skjer i raskt tempo. Tidligere denne måneden opprettet et selskap i Tyskland opprettet Wave House ved hjelp av 3D‑printing. Det er Europas største 3D‑printede bygning, måler 600 m² (6 600 ft²), og har et uvanlig utseende med et bølgemønster som ikke kunne realiseres med konvensjonelle byggemetoder. 3D‑konstruksjons‑printteknologi ga designfrihet og tok omtrent 140 timer.

Bare forrige uke ble verdens første noensinne 3D‑printede moské, som dekker et område på 5 600 m², åpnet i Jeddah, Saudi-Arabia. Det tok seks måneder å fullføre byggingen av moskeen.

Når det gjelder 3D‑printteknologi, har det Texas‑baserte selskapet ICON nylig avdekket sin robotarm‑monterte 3D‑printer kalt Phoenix. Denne printeren kan lage fleretasje‑strukturer med fullstendig lukkede systemer fra en lav‑karbonblanding. Med en høyde på 70 fot gir Phoenix mulighet for høyere konstruksjon (opptil 27 fot) enn ICONs nåværende printer, Vulcan, som har et portalkonstruksjonssystem med chassiset nærmere bakken. 

Selskapet har også kunngjort utviklingen av en ny materialblanding kalt CarbonX, som er «det lavest karbonbaserte boligbyggesystemet som er klart til å brukes i stor skala». Videre har ICON integrert AI i sine systemer slik at alle kan designe 3D‑printbare boligplaner via sin Vitruvius‑plattform.

Men det er ikke alt. I forrige måned tillot 3D‑printing å lage ekstremt realistisk utseende protesøye på kun 90 minutter, i motsetning til de vanlige 8 timene det tar en dyktig tekniker å lage en manuelt. Deretter finnes det 3D‑printing av droner, drivmidler og eksplosiver. 

3D‑printing, som vi dekket ovenfor, utvikler seg tydelig i raskt tempo, noe som er forståelig gitt den enorme økningen i interessen for dette feltet. Den økende interessen skyldes teknikkens evne til å lage tilpassede former og skrive ut flere materialtyper i én del, noe som sparer penger og materialer samtidig som den er miljøvennlig.

Også kalt additiv produksjon, innebærer 3D‑printing at man legger lag på lag av et materiale ved hjelp av en printer for å bygge et objekt. Det er imidlertid ikke uten utfordringer, spesielt når det gjelder begrensede materialer, forming av visse materialer, begrenset størrelse, designfeil og mer.

Derfor jobber forskere med å finne måter å overvinne disse utfordringene på og gjøre 3D‑printing enda mer effektivt og egnet for stor skala.

Nylig utviklet en studie en ny prosess for 3D‑printing på mikroskala som produserer partikler, med en hastighet på opptil 1 million per dag, i nesten hvilken som helst form for bruk i produksjon, medisin og forskning. 

3D‑printing mikroskopiske partikler

Publisert i Nature, er studien kalt «Roll‑to‑roll, høyoppløselig 3D‑printing av formspesifikke partikler» og utført av forskere fra Stanford University. 

De som deltok i studien inkluderer Jason M. Kronenfeld, en Ph.D.-student ved Stanfords kjemiavdeling, mens Lukas Rother og Maria T. Dulay begge jobber ved radiologisk avdeling. Både Max A. Saccone og Joseph M. DeSimone tilhører radiologisk avdeling samt kjemisk ingeniøravdeling.

I studien bemerket forskerne hvordan partikkelfremstilling blir stadig mer populær takket være sine mangfoldige anvendelser innen mikroelektronikk, slipemidler, granulære systemer, mikrofluidikk, bioingeniørkunst og levering av legemidler og vaksiner.

Selv om disse ekstremt små 3D‑printede partiklene har et bredt spekter av anvendelser, krever de presis koordinering mellom scenebevegelse, lyslevering og egenskapene til resin (et svært klebrig stoff). Dette gjør skalerbar produksjon av slike tilpassede mikroskala‑partikler vanskelig å oppnå.

Derfor introduserte Stanford-forskerne en høyoppløselig 3D‑printteknikk som er skalerbar for fremstilling av formspesifikke partikler. Denne prosesseringsteknikken, basert på roll‑to‑roll kontinuerlig væske‑grensesnitt‑produksjon (r2rCLIP), er langt mer effektiv til å skrive ut enorme mengder tilpassbare og svært detaljerte mikroskala‑partikler per dag.

Ifølge studiens hovedforfatter, Kronenfeld, Ph.D.-kandidat i DeSimone‑labben, gjør denne teknikken det mulig å lage mer komplekse former på mikroskopisk skala, fra et bredt spekter av materialer, og med hastigheter som ikke tidligere er sett for partikkelfremstilling.

Forskningen bygger på trykkteknikken kalt kontinuerlig væske‑grensesnitt‑produksjon (CLIP), som ble introdusert for nesten et tiår siden, i 2015, av DeSimone og kolleger.

CLIP bruker UV‑lys og projiserer det i lag for raskt å herde resin til ønsket form. Det som skiller denne teknikken er at over UV‑lyskasteren finnes et vindu som tillater oksygen å trenge inn. Dette oksygenpermeable vinduet hindrer den flytende resin i å feste seg ved å skape det som kalles en «død sone». Dermed kan vi herde delikate detaljer uten å rive hvert lag fra vinduet, noe som gir raskere partikkel‑printing.

Medforfatteren DeSimone, som er Sanjiv Sam Gambhir‑professor i translational medisin ved Stanford og har vært ansvarlig for flere gjennombrudd innen medisinsk utstyr, nanomedisin og 3D‑printing, sa:

“Å bruke lys til å fremstille objekter uten støpemaler åpner opp en helt ny horisont i partikkelverdenen.” 

Å få dette til på en skalerbar nivå kan ytterligere gi muligheter til å bruke disse partiklene «for å drive fremtidens industrier», la han til.

Klikk her for å lære hva som gjør 3D‑printing til et potensielt $500‑milliarder marked.

r2rCLIP for å muliggjøre masseproduksjon

Basert på CLIP utviklet forskerne en ny prosess for masseproduksjon av unikt formede nanoskala‑partikler. Først spente de forsiktig et film og sendte det til CLIP‑printeren, hvor hundrevis av former ble skrevet ut på filmen samtidig.

Deretter går den videre til vask, herding og fjerning av formene. Alle disse trinnene kan tilpasses avhengig av hvilket materiale som brukes og hvilken form som er involvert. Den tomme filmen rulles til slutt opp igjen, derav navnet roll‑to‑roll CLIP, eller r2rCLIP. 

Bruken av enkelt‑sifrede, mikron‑oppløsnings‑optikk, sammen med en kontinuerlig filmrull i stedet for en statisk plattform, gjorde det mulig for forskerne å oppnå rask, permuterbar produksjon samt løft av partikler fra ulike materialer og med mer intrikate geometrier.

Ifølge studien inkluderte geometriene de som ikke kunne oppnås med avanserte støpebaserte teknikker, og viser dermed teamets unike evner.

Både de støpbare og ikke‑støpbare formene av r2rCLIP ble vist med voxel‑størrelser (et enkelt prøvemonster på et jevnt fordelt 3D‑gitter) på 2,0 × 2,0 µm² i utskrift og med en ustøttet tykkelse på 1,1 ± 0,3 µm.

Før roll‑to‑roll CLIP måtte en batch med trykte partikler behandles manuelt, noe som er en langsom prosess som krever stor fysisk innsats. Automatiseringen av r2rCLIP gjør nå produksjon på et enestående nivå, dvs. opptil 1 000 000 partikler hver eneste dag.

Partikkel‑printprosessen oppnådde full automatisering ved å erstatte CLIP‑printerens statiske byggeplate med et kontinuerlig film‑, modulært roll‑to‑roll‑system. Dette gjør automatisert etterbehandling i linjen mulig, inkludert rengjøring, etterherding og løft av partikler (høsting).

I sin artikkel bemerket teamet at en stor fordel med å bruke deres roll‑to‑roll CLIP‑teknikk for partikkelfremstilling er den iboende støpfrie prosessen. Dette gjør det mulig å produsere et omfattende spekter av partikkelve geometrier uten å måtte endre oppsettet.

Når det gjelder partikkelfremstilling, innebærer ulike tilnærminger avveininger mellom skalerbarhet, hastighet, ensartethet, materialegenskaper og geometrisk kontroll. For eksempel, mens noen prosesser kan skrive ut på nanometerskala, har de en tendens til å være langsommere.

“Vi navigerer en presis balanse mellom hastighet og oppløsning,” sa Kronenfeld. Hans teknikk, bemerket han, er “særlig i stand” til å produsere høyoppløselige resultater, men den kan også opprettholde hastigheten som trengs for å møte partikkelfremstillingsvolumene som kreves for ulike anvendelser.

Han la til:

“Teknikker med potensial for translational påvirkning må kunne tilpasses fra forskningslab-skala til industriell produksjon på en gjennomførbar måte.”

Omfattende anvendelser

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

Etter hvert som 3D‑printing utvikler seg raskt, er r2rCLIP her en “grunnleggende teknologi,” sa DeSimone, som er grunnleggende fakultetsdirektør for Stanfords Center for STEMM‑mentorskap, meddirektør for Canary Center ved Stanford for tidlig kreftdeteksjon, og fakultetsstipendiat ved Sarafan ChEM‑H.

Imidlertid, ifølge DeSimone, begynner industrien å fokusere på 3D‑produkter snarere enn disse prosessene, som “blir tydelig verdifulle og nyttige.” Så spørsmålet nå er:

“Hva er de høyverdige anvendelsene?”

Ifølge studien gjør mikroskopiske partikler med intrikate design mulig direkte integrering i analytiske, biomedisinske og avanserte materialapplikasjoner.

Forskerne har selv eksperimentert med produksjon av både myke og harde partikler, laget av hydrogel, som kan ha anvendelser i legemiddellevering i kroppen, og keramikk, som kan brukes i produksjon av mikroelektronikk.

Ved å bruke dem i produksjon av hydrogel‑partikler blir det mulig å fylle disse partiklene for å oppnå justerbare, gradient‑ eller pulserende frigjøringsprofiler i en enkelt injeksjon. Mange tidligere studier har utforsket opprettelsen av passende fotopolymer‑resinsystemer og undersøkt påvirkningen av materialers form, størrelse og biokompatibilitet på lokalisering og levering. Dette førte til skapelsen av bioskaffold og leveringsmanifolder, som åpnet opp mange muligheter for å fremstille hydrogel‑partikler for legemiddellevering, selv om de ikke involverte en skalerbar, permuterbar produksjonsprosedyre.

Her laget teamet hydrogel‑kubber med en enhetsstørrelse på 400 µm og fylte dem manuelt med omtrent åtte nl av representativ last etter utskrift, etterfulgt av en hydrogel‑lokk. Studien fremhevet potensialet for en programmerbar pall av lastfrigjøring gjennom fremtidig forskning ved å bygge på tidligere studier om kinetikk for legemiddelleveringskjøretøy og utnytte de justerbare egenskapene til molekylvekt og veggtykkelse.

Material- og mekanisk allsidighet, fra keramikk til hydrogel, kan også bidra til skapelsen av smarte materialer. Så ved å demonstrere fremstillingspotensial over et så bredt spekter, har denne skalerbare partikkelfremstillingsmetoden også potensial for anvendelse i mikroværktøy og elektronikk, la de til.

Den høye gjennomstrømningen av teknikken (r2rCLIP) har imidlertid direkte implikasjoner for industriell produksjon av mikroenheter som mikroroboter og leveringssystemer. Dette er spesielt støttende for produksjon av keramiske materialer.

Ved å bruke prekeramiske resin for å fremstille tekniske keramiske partikler i stor skala, sier studien, kan dette ha mulige anvendelser i mikroelektromekaniske systemer, mekaniske planariseringsmetoder som slurry‑komponenter, og ledende partikler som vil muliggjøre industrielle anvendelser som telekommunikasjon og helsevesen.

Ifølge Dulay, en seniorforsker:

“Det finnes et bredt spekter av anvendelser, og vi er bare i starten av å utforske dem. Det er ganske ekstraordinært hvor vi er med denne teknikken.”

Selskaper som bruker innovative tilnærminger til additiv produksjon

La oss nå se på et par selskaper som leder an innen 3D‑printing:

#1. HP Inc.

Et velkjent navn i den tradisjonelle trykkeribransjen, HP Inc. har gjort mange fremskritt innen 3D‑printing, som involverer deres Multi Jet Fusion (MJF)-teknologi, designet for industriell produksjon. Den tilbyr høyhastighets‑3D‑printing og muligheten til å kontrollere egenskapene til hver enkelt voxel. Selskapets Jet Fusion for industriell produksjon og prototyping omfatter 5600-serien for å optimalisere applikasjoner for fleksibel produksjon i skala, 5400-serien for kvalitets‑hvite applikasjoner, 5200-serien for å produsere høyverdige endelige 3D‑deler, og 4200-serien for å optimalisere produktivitet og kostnad.

Denne uken planlegger HP å vise 3D‑printede deler som utnytter deres nye materiale, PA 12 S, på den årlige AM Forum Conference i Berlin. Materialet er spesiallaget for selskapets 3D‑polymerløsninger brukt i industrien og gir fordeler som kostnadsreduksjon og utmerket overflateestetikk.

Med en markedsverdi på $29,83 milliarder handles selskapets aksjer til $30,66, opp 1,1 % år‑til‑dato (YTD). Selskapet har rapportert inntekter (TTM) på $53,1 milliarder, en EPS (TTM) på 3,41, og en P/E (TTM) på 8,91. Det betaler en utbytteavkastning på 3,62 %..

#2. Materialise NV

Dette belgisk‑baserte selskapet tilbyr et bredt spekter av 3D‑printtjenester, inkludert metall‑ og polymer‑printing. Selskapet er spesielt kjent for sin ekspertise innen helsevesenet, hvor de bruker 3D‑printing for implantater, kirurgiske guider og anatomiske modeller.

Sent i fjor inngikk Ricoh, et japansk bilde‑ og elektronikkfirma, et partnerskap med Materialise for å bringe point‑of‑care 3D‑printing til amerikanske sykehus, noe som vil muliggjøre produksjon av anatomiske modeller av en pasients anatomi. I forrige måned lanserte Materialise en personlig 3D‑printet behandling av temporomandibulærleddet (TMJ).

Med en markedsverdi på $293,56 millioner handles selskapets aksjer til $5,36, ned over 24 % YTD. Selskapet har rapportert inntekter (TTM) på $278,69 millioner, 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 inntektene økte med 4,1 % til €65,3 millioner og 10,4 % til €256,1 millioner, henholdsvis, til tross for de «turbulente makroøkonomiske og geopolitisk forholdene».

Materialise rapporterte også €128 millioner i kontanter og kontantekvivalenter, noe som ifølge administrerende direktør Brigitte de Vet‑Veithen, sammen med sikret ekstra finansiering, gjør selskapet «godt posisjonert» til å fortsette å tilby innovative 3D‑produkter og programvareløsninger.

Konklusjon

Som vi nevnte ovenfor, har 3D‑printing store fordeler i flere industrier, inkludert medisinsk, bil, luftfart, forbrukerprodukter, smykker, samt forsvar og militær. Selv om den allerede får økende interesse og bruk, vil adopsjonen bare vokse i de kommende årene etter hvert som mer forskning gjør produksjon av objekter i skala mulig. Fremtiden for 3D‑printing er rett og slett lysende, og viser løftet om å revolusjonere produksjon og skape en mer robust fremtid.