Partículas Microscópicas Impressas em 3D Podem Transformar a Medicina e a Eletrônica

Revoluções no mundo da impressão 3D estão acontecendo em ritmo acelerado. No início deste mês, uma empresa na Alemanha criou a Wave House usando impressão 3D. É o maior edifício impresso em 3D da Europa, medindo 600 m² (6.600 pés²), e tem uma aparência incomum, pois possui um design em forma de onda que não poderia ser realizado por métodos de construção convencionais. A tecnologia de impressão 3D para construção proporcionou liberdade de design e levou cerca de 140 horas.

Na semana passada, a primeira mesquita impressa em 3D do mundo, mesquita impressa em 3D, com uma área de 5.600 m², foi inaugurada em Jeddah, Arábia Saudita. Foram necessários seis meses para concluir a construção da mesquita.

No que diz respeito à tecnologia de impressão 3D, a ICON, com sede no Texas, revelou recentemente revelou sua impressora 3D montada em braço robótico chamada Phoenix. Esta impressora pode criar estruturas de vários andares com sistemas totalmente fechados a partir de uma mistura de baixo carbono. Com 70 pés de altura, a Phoenix permite construções mais altas (até 27 pés) do que a impressora atual da ICON, a Vulcan, que possui um sistema de pórtico com o chassis mais próximo do solo.

A empresa também anunciou o desenvolvimento de uma nova mistura de material chamada CarbonX, que é “o sistema de construção residencial de menor carbono pronto para ser usado em escala”. Além disso, a ICON integrou IA em seus sistemas para que qualquer pessoa possa projetar esquemas de casas imprimíveis em 3D por meio de sua plataforma Vitruvius.

Mas isso não é tudo. No mês passado, a impressão 3D permitiu a criação de olhos protéticos extremamente realistas em apenas 90 minutos, em contraste com as habituais 8 horas que um técnico especializado leva para produzir um manualmente. Também há impressão 3D de drones, propelentes e explosivos.

A impressão 3D, como vimos acima, está claramente avançando em ritmo acelerado, o que faz sentido, dado que o interesse nessa área está crescendo enormemente. O crescente interesse se deve à capacidade dessa técnica de criar formas personalizadas e imprimir vários tipos de material em uma única peça, economizando dinheiro e material, além de ser ambientalmente amigável.

Também chamada de manufatura aditiva, a impressão 3D envolve empilhar um material camada por camada usando uma impressora para construir um objeto. No entanto, não está isenta de desafios, especialmente em relação a materiais limitados, modelagem de certos materiais, tamanho restrito, imprecisões de design e mais.

Portanto, os cientistas estão trabalhando para encontrar maneiras de superar esses desafios e tornar a impressão 3D ainda mais eficaz e viável em escala.

Recentemente, um estudo desenvolveu um novo processo de impressão 3D em escala microscópica que produz partículas, a uma taxa de até 1 milhão por dia, em quase qualquer forma para uso em manufatura, medicina e pesquisa. 

Partículas Microscópicas Impressas em 3D

Publicado na Nature, o estudo é intitulado “Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles” e foi conduzido por pesquisadores da Universidade de Stanford. 

Os participantes do estudo incluem Jason M. Kronenfeld, estudante de doutorado do Departamento de Química de Stanford, enquanto Lukas Rother e Maria T. Dulay trabalham no Departamento de Radiologia. Tanto Max A. Saccone quanto Joseph M. DeSimone pertencem ao Departamento de Radiologia, bem como ao Departamento de Engenharia Química.

No estudo, os pesquisadores observaram como a fabricação de partículas está se tornando popular graças às suas diversas aplicações em microeletrônica, abrasivos, sistemas granulares, microfluídica, bioengenharia e entrega de medicamentos e vacinas.

Embora essas partículas impressas em 3D extremamente pequenas tenham uma ampla gama de aplicações, elas exigem coordenação precisa entre o movimento da plataforma, a entrega de luz e as propriedades da resina (uma substância altamente pegajosa). Isso torna a fabricação escalável de tais partículas microscópicas personalizadas difícil de alcançar. 

Dessa forma, os pesquisadores de Stanford introduziram uma técnica de impressão 3D de alta resolução, escalável para a fabricação de partículas com formas específicas. Essa técnica de processamento, baseada na produção contínua de interface líquida roll-to-roll (r2rCLIP), é muito mais eficiente na impressão de grandes quantidades de partículas microscópicas personalizáveis e altamente detalhadas por dia.

De acordo com o autor principal do estudo, Kronenfeld, candidato a Ph.D. no laboratório DeSimone, essa técnica permite a criação de formas mais complexas em escala microscópica, a partir de uma ampla variedade de materiais, e em velocidades que nunca foram vistas antes para a fabricação de partículas.

A pesquisa baseia-se na técnica de impressão chamada produção contínua de interface líquida (CLIP), que foi introduzida há quase uma década, em 2015, por DeSimone e colegas. 

O CLIP utiliza luz UV e projeta‑a em fatias para curar a resina rapidamente na forma desejada. O que distingue essa técnica é que, acima do projetor de luz UV, há uma janela que permite a penetração de oxigênio. Essa janela permeável ao oxigênio impede que a resina líquida grude nela, criando o que é chamado de “zona morta”. Assim, conseguimos curar recursos delicados sem rasgar cada camada da janela, o que resulta em impressão de partículas mais rápida.

O coautor DeSimone, que é o Professor Sanjiv Sam Gambhir de Medicina Translacional em Stanford e tem sido responsável por várias inovações nos campos de dispositivos médicos, nanomedicina e impressão 3D, disse:

“Usar luz para fabricar objetos sem moldes abre um novo horizonte no mundo das partículas.” 

Realizar isso em escala pode ainda proporcionar oportunidades de usar essas partículas “para impulsionar as indústrias do futuro”, acrescentou.

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r2rCLIP para Habilitar a Produção em Massa

Com base no CLIP, os pesquisadores criaram um novo processo para produção em massa de partículas nanoscala com formas únicas. Primeiro, tensionaram cuidadosamente um filme e o enviaram para a impressora CLIP, onde centenas de formas foram impressas no filme simultaneamente.

Em seguida, ele passa por lavagem, cura e remoção das formas. Todas essas etapas podem ser personalizadas dependendo do material usado e da forma envolvida. O filme vazio, por fim, é enrolado novamente, daí o nome roll-to-roll CLIP, ou r2rCLIP. 

O uso de ópticas de resolução micrométrica de um único dígito, juntamente com um rolo contínuo de filme em vez de uma plataforma estática, permitiu aos pesquisadores alcançar fabricação rápida e permutável, bem como a liberação de partículas de diferentes materiais e com geometrias mais intrincadas. 

De acordo com o estudo, as geometrias incluíam aquelas que não podiam ser alcançadas com técnicas avançadas baseadas em moldes, demonstrando assim as capacidades únicas da abordagem da equipe.

Tanto as formas moldáveis quanto as não moldáveis do r2rCLIP foram demonstradas com tamanhos de voxel (uma única amostra em uma grade 3D regularmente espaçada) de 2,0 × 2,0 µm2 na impressão e com espessura não suportada de 1,1 ± 0,3 µm. 

Antes do roll-to-roll CLIP, um lote de partículas impressas precisava ser processado manualmente, o que é um processo lento que requer grande esforço físico. A automação do r2rCLIP agora permite a fabricação em um nível sem precedentes, ou seja, até 1.000.000 de partículas por dia.

O processo de impressão de partículas alcançou automação total ao substituir a placa de construção estática da impressora CLIP por um sistema contínuo de filme, modular e roll-to-roll. Isso permite o pós-processamento automatizado em linha, que inclui limpeza, cura pós-impressão e liberação (colheita) das partículas. 

Em seu artigo, a equipe observou que uma grande vantagem de usar a técnica roll-to-roll CLIP para a fabricação de partículas é seu processo intrinsecamente sem moldes. Isso permite a produção de uma ampla variedade de geometrias de partículas sem necessidade de alterar o layout.

No que diz respeito à fabricação de partículas, diferentes abordagens envolvem trade‑offs entre escalabilidade, velocidade, uniformidade, propriedades dos materiais e controle geométrico. Por exemplo, embora alguns processos possam imprimir em escala nanométrica, tendem a ser mais lentos. 

“Estamos navegando em um equilíbrio preciso entre velocidade e resolução”, disse Kronenfeld. Sua técnica, observou, é “distintivamente capaz” de fabricar resultados de alta resolução, mas também pode manter a velocidade necessária para atender aos volumes de produção de partículas exigidos por diferentes aplicações. 

Ele acrescentou:

“Técnicas com potencial de impacto translacional devem ser adaptáveis de forma viável da escala de laboratório de pesquisa para a escala de produção industrial.” 

Aplicações Amplas

A pesquisa, financiada pelo Programa de Bolsas de Pós‑Graduação da National Science Foundation e pela Fundação Bill & Melinda Gates, tem como objetivo ser amplamente adotada por outros pesquisadores e pela indústria.

Com a impressão 3D evoluindo rapidamente, o r2rCLIP se apresenta aqui como “uma tecnologia fundamental”, disse DeSimone, que é diretor fundador da faculdade do Center for STEMM Mentorship de Stanford, co‑diretor do Canary Center de Stanford para Detecção Precoce de Câncer e fellow da faculdade do Sarafan ChEM‑H.

No entanto, segundo DeSimone, a indústria está começando a focar em produtos 3D ao invés desses processos, que estão “se tornando claramente valiosos e úteis”. Então, a questão agora é: 

“Quais são as aplicações de alto valor?”

De acordo com o estudo, partículas microscópicas com designs intrincados permitem integração direta em aplicações analíticas, biomédicas e de materiais avançados.

Os próprios pesquisadores têm experimentado a produção de partículas tanto macias quanto duras, feitas de hidrogéis, que podem ter aplicações na entrega de medicamentos no corpo, e cerâmicas, que podem ser usadas na fabricação de microeletrônica.

Ao utilizá‑las na produção de partículas de hidrogel, torna‑se possível preencher essas partículas para alcançar perfis de liberação ajustáveis, em gradiente ou pulsátil em uma única injeção. Muitos estudos anteriores exploraram a criação de sistemas de resina fotopolimérica adequados e examinaram a influência da forma, tamanho e biocompatibilidade dos materiais na localização e entrega. Isso levou à criação de bio‑andaimes e manifolds de entrega, que abriram inúmeras perspectivas para a fabricação de partículas de hidrogel para entrega de medicamentos, apesar de não envolver um procedimento de fabricação escalável e permutável. 

Aqui, a equipe fabricou cubos de hidrogel com tamanho unitário de 400 µm e os preencheu manualmente com cerca de oito nl de carga representativa após a impressão, seguido de cobertura com uma tampa de hidrogel. O estudo destacou o potencial de uma palete programável de liberação de carga por meio de pesquisas futuras, baseando‑se em estudos anteriores sobre a cinética de veículos de entrega de medicamentos e aproveitando as propriedades ajustáveis de peso molecular e espessura da parede.

A versatilidade material e mecânica, de cerâmica a hidrogel, também pode auxiliar na criação de materiais inteligentes. Assim, ao demonstrar potencial de fabricação em uma gama tão ampla, essa abordagem escalável de produção de partículas também tem aplicação potencial em microferramentas e eletrônica, acrescentou. 

O alto rendimento da técnica (r2rCLIP), por sua vez, tem implicações diretas na produção em escala industrial de microdispositivos como microrobôs e sistemas de entrega de carga. Isso é particularmente favorável para a produção de materiais cerâmicos. 

Ao utilizar resinas pré‑cerâmicas para fabricar partículas cerâmicas técnicas em escala massiva, o estudo afirma que isso pode ter aplicações potenciais em sistemas microeletromecânicos, técnicas de planarização mecânica como componentes de slurry, e partículas condutoras que permitirão aplicações industriais como telecomunicações e saúde.

Segundo Dulay, cientista sênior de pesquisa:

“Existe uma ampla variedade de aplicações, e estamos apenas começando a explorá‑las. É bastante extraordinário onde chegamos com esta técnica.”

Empresas que Usam Abordagens Inovadoras para Manufatura Aditiva

Agora, vamos dar uma olhada em algumas empresas que estão liderando o caminho na impressão 3D:

#1. HP Inc.

Um nome bem conhecido na indústria de impressão tradicional, a HP Inc. (HPQ ) tem feito muitos avanços na impressão 3D, que envolve sua tecnologia Multi Jet Fusion (MJF), projetada para produção industrial. Ela oferece impressão 3D de alta velocidade e a capacidade de controlar as propriedades de cada voxel individual. A Jet Fusion da empresa para produção industrial e prototipagem inclui a série 5600 para otimizar aplicações de produção flexível em escala, a série 5400 para aplicações de alta qualidade em branco, a série 5200 para produzir peças 3D finais de alto valor e a série 4200 para otimizar produtividade e custo.

Esta semana, a HP planeja exibir peças impressas em 3D usando seu novo material, PA 12 S, na conferência anual AM Forum em Berlim. O material é feito sob medida para as soluções de polímero 3D da empresa usadas nas indústrias e oferece benefícios como redução de custos e excelente estética de superfície.

Com uma capitalização de mercado de $29.83 bln, as ações da empresa estão sendo negociadas a $30.66, alta de 1.1% no ano (YTD). A empresa registrou receita (TTM) de $53.1 bln, um EPS (TTM) de 3.41 e um P/E (TTM) de 8.91. Ela paga um rendimento de dividendos de 3.62%.

#2. Materialise NV

Esta empresa belga oferece uma ampla gama de serviços de impressão 3D, incluindo impressão de metal e polímero. A empresa é particularmente conhecida por sua expertise no setor de saúde, onde utiliza impressão 3D para implantes, guias cirúrgicos e modelos anatômicos. 

No final do ano passado, a Ricoh, empresa japonesa de imagem e eletrônicos, fez parceria com a Materialise para levar impressão 3D point‑of‑care a hospitais dos EUA, permitindo a produção de modelos anatômicos da anatomia de um paciente. No mês passado, a Materialise lançou um tratamento personalizado de articulação temporomandibular (TMJ) impresso em 3D.

Com uma capitalização de mercado de $293.56 mln, as ações da empresa estão sendo negociadas a $5.36, queda de mais de 24% no ano (YTD). A empresa registrou receita (TTM) de $278.69 mln, um EPS (TTM) de 0.13 e um P/E (TTM) de 39.57.

Recentemente, a empresa anunciou seus resultados financeiros para o quarto trimestre e todo 2023, período em que sua receita aumentou 4.1% para €65.3 million e 10.4% para €256.1 million, respectivamente, apesar das “condições macroeconômicas e geopolíticas turbulentas”.

A Materialise também reportou €128 million em caixa e equivalentes de caixa, o que sua CEO Brigitte de Vet-Veithen afirmou, juntamente com financiamento adicional garantido, a coloca “bem posicionada” para continuar oferecendo soluções inovadoras de produtos e softwares 3D.

Conclusão

Como observamos acima, a impressão 3D traz grandes benefícios em várias indústrias, incluindo medicina, automotiva, aeroespacial, bens de consumo, joalheria e defesa e militar. Embora já esteja despertando curiosidade e uso crescentes, sua adoção só tende a aumentar nos próximos anos à medida que mais pesquisas permitam a produção de objetos em escala. O futuro da impressão 3D é simplesmente promissor, demonstrando a promessa de revolucionar a manufatura e criar um futuro mais resiliente.