3D‑skrivna mikroskopiska partiklar kan förändra medicin och elektronik

Revolutioner inom 3D‑tryckvärlden sker i snabb takt. Earlier this month, a company in Germany skapade Wave House med 3D‑tryck. Det är Europas största 3D‑skrivna byggnad, med en yta på 600 m² (6 600 ft²), och har ett ovanligt utseende med en vågform som inte kunde realiseras med konventionella byggmetoder. 3D‑konstruktions‑tryckteknik gav designfrihet och tog cirka 140 timmar.

Precis förra veckan, världens första någonsin 3D‑skrivna moské, med en yta på 5 600 m², öppnade i Jeddah, Saudiarabien. Det tog sex månader att slutföra moskéns konstruktion.

När det gäller 3D‑tryckteknik har det texanska företaget ICON nyligen avslöjat sin robotarm‑monterade 3D‑skrivare kallad Phoenix. Denna skrivare kan skapa flerplansstrukturer med helt slutna system från en låg‑koldioxidblandning. På 70 fot hög (ca 21,3 m) möjliggör Phoenix högre konstruktion (upp till 27 fot, ca 8,2 m) än ICON:s nuvarande skrivare, Vulcan, som har ett portalkonstruktion med chassit närmare marken.

Företaget har också tillkännagett utvecklingen av en ny materialblandning kallad CarbonX, som är “det lägsta koldioxidresidenssystemet redo att användas i stor skala”. Dessutom har ICON integrerat AI i sina system så att vem som helst kan designa 3D‑skrivbara hem‑scheman via sin Vitruvius‑plattform.

Men det är inte allt. Förra månaden möjliggjorde 3D‑tryck skapandet av extremt realistiska protesögon på bara 90 minuter, jämfört med de vanliga 8 timmar som en skicklig tekniker behöver för att producera ett manuellt. Dessutom finns 3D‑tryck av drönare, drivmedel och sprängämnen.

3D‑tryck, som vi nämnde ovan, utvecklas tydligt i snabb takt, vilket är logiskt med tanke på att intresset för detta område ökar enormt. Det ökande intresset beror på teknikens förmåga att skapa anpassade former och skriva ut flera materialtyper i en del, vilket sparar pengar och material samtidigt som det är miljövänligt.

Även kallat additiv tillverkning innebär 3D‑tryck att stapla ett material lager för lager med en skrivare för att bygga ett föremål. Det är dock inte utan sina utmaningar, särskilt när det gäller begränsade material, formning av vissa material, begränsad storlek, designfel och mer.

Så arbetar forskare med att hitta sätt att övervinna dessa utmaningar och göra 3D‑tryck ännu mer effektivt och användbart i stor skala.

Nyligen utvecklade en studie en ny process för 3D‑tryck på mikroskala som framställer partiklar, med en hastighet på upp till en miljon per dag, i nästan vilken form som helst för användning i tillverkning, medicin och forskning. 

3D‑tryck av mikroskopiska partiklar

Publicerad i Nature heter studien study “Roll‑to‑roll, högupplöst 3D‑tryck av form‑specifika partiklar” och utfördes av forskare från Stanford University. 

De som deltog i studien inkluderar Jason M. Kronenfeld, doktorand vid Stanfords kemiska institution, medan Lukas Rother och Maria T. Dulay båda arbetar vid radiologiska institutionen. Både Max A. Saccone och Joseph M. DeSimone tillhör radiologiska institutionen samt institutionen för kemiteknik.

I studien noterade forskarna hur partikelproduktion blir populär tack vare dess mångsidiga tillämpningar inom mikroelektronik, slipmedel, granulära system, mikrofluidik, bioingenjörskonst samt läkemedels- och vaccinelivery.

Även om dessa extremt små 3D‑skrivna partiklar har ett brett användningsområde kräver de exakt samordning mellan scenrörelse, ljusleverans och hartsens (en mycket klibbig substans) egenskaper. Detta gör skalbar tillverkning av sådana anpassade mikroskopiska partiklar svår att uppnå.

Som ett resultat introducerade Stanford-forskarna en högupplöst 3D‑tryckteknik som är skalbar för tillverkning av form‑specifika partiklar. Denna bearbetningsteknik, baserad på roll‑to‑roll kontinuerlig vätske‑gränssnitt‑produktion (r2rCLIP), är mycket effektivare för att skriva ut stora mängder anpassningsbara och mycket detaljerade mikroskopiska partiklar per dag.

Enligt studiens huvudförfattare, Kronenfeld, doktorand i DeSimone‑labbet, möjliggör denna teknik att mer komplexa former skapas på mikroskopisk skala, av ett brett materialutbud, och med hastigheter som tidigare inte setts för partikelproduktion.

Forskningen bygger på trycktekniken kallad kontinuerlig vätske‑gränssnitt‑produktion (CLIP), som introducerades för nästan ett decennium sedan, år 2015, av DeSimone och kollegor.

CLIP använder UV‑ljus och projicerar det i skivor för att snabbt härda harts till önskad form. Vad som särskiljer tekniken är att ovanför UV‑projektorn finns ett fönster som tillåter syre att tränga igenom. Detta syregångbara fönster hindrar den flytande hartsen från att fastna genom att skapa en så kallad “dödzon”. Därmed kan vi härda känsliga detaljer utan att riva varje lager från fönstret, vilket resulterar i snabbare partikelutskrift.

Medförfattaren DeSimone, som är Sanjiv Sam Gambhir‑professor i translational medicin vid Stanford och har varit ansvarig för flera genombrott inom medicintekniska produkter, nanomedicin och 3D‑tryck, sade:

“Att använda ljus för att tillverka objekt utan formar öppnar en helt ny horisont i partikelvärlden.” 

Att göra detta på en skalbar nivå kan ytterligare ge möjligheter att använda dessa partiklar “för att driva framtidens industrier,” tillade han.

Klicka här för att lära dig vad som gör 3D‑tryck till en potentiell marknad på 500 miljarder dollar.

r2rCLIP för att möjliggöra massproduktion

Baserat på CLIP skapade forskarna en ny process för massproduktion av unikt formade nanoskala partiklar. Först spände de noggrant ett film och skickade den till CLIP‑skrivaren, där hundratals former trycktes på filmen samtidigt.

Sedan flyttas den till tvätt, härdning och borttagning av formerna. Alla dessa steg kan anpassas beroende på vilket material som används och vilken form som är inblandad. Den tomma filmen rullas sedan tillbaka, vilket ger namnet roll‑to‑roll CLIP, eller r2rCLIP.

Användningen av ensiffrig, mikron‑upplösningsoptik, tillsammans med en kontinuerlig filmrulle istället för en statisk plattform, gjorde det möjligt för forskarna att uppnå snabb, ombytlig tillverkning samt frigöring av partiklar från olika material och med mer invecklade geometrier.

Enligt studien inkluderade geometrierna sådana som inte kunde uppnås med avancerade gjutningsbaserade tekniker, vilket visar teamets unika förmågor.

Både de gjutbara och icke‑gjutbara formerna av r2rCLIP visades med voxel‑storlekar (en enskild provpunkt på ett regelbundet 3D‑gitter) på 2,0 × 2,0 µm² i utskrift och med en ostödd tjocklek på 1,1 ± 0,3 µm.

Före roll‑to‑roll CLIP måste en batch av utskrivna partiklar bearbetas manuellt, vilket är en långsam process som kräver stor fysisk ansträngning. Automatiseringen av r2rCLIP möjliggör nu tillverkning på en oöverträffad nivå, dvs upp till 1 000 000 partiklar varje dag.

Partikel‑utskriftsprocessen uppnådde full automatisering genom att ersätta CLIP‑skrivarens statiska byggplatta med ett kontinuerligt film‑, modulärt roll‑to‑roll‑system. Detta möjliggör automatiserad inline‑efterbehandling som inkluderar rengöring, efterhärdning och partikel‑frigöring (skörd).

I sin artikel noterade teamet att en stor fördel med att använda deras roll‑to‑roll CLIP‑teknik för partikelproduktion är den inneboende gjutningsfria processen. Detta möjliggör produktion av ett brett spektrum av partikelgeometrier utan att behöva ändra layouten.

När det gäller partikelproduktion innebär olika tillvägagångssätt avvägningar mellan skalbarhet, hastighet, enhetlighet, materialegenskaper och geometrisk kontroll. Till exempel, medan vissa processer kan skriva ut på nanometerskala, tenderar de att vara långsammare.

“Vi navigerar en exakt balans mellan hastighet och upplösning,” sade Kronenfeld. Hans teknik är, enligt honom, “särskilt kapabel” att tillverka högupplösta resultat, men den kan också bevara den hastighet som behövs för att möta de partikelproduktionsvolymer som krävs för olika tillämpningar.

Han tillade:

“Tekniker med potential för translational påverkan måste vara praktiskt anpassningsbara från forskningslabbet till industriell produktion.”

Omfattande tillämpningar

Forskningen, som finansierades av National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program och Bill & Melinda Gates Foundation, syftar till att brett antas av andra forskare och industrin.

Med 3D‑tryck som utvecklas snabbt är r2rCLIP här ett “grundläggande teknik”, sade DeSimone, som är grundande fakultetsdirektör för Satnford’s Center for STEMM Mentorship, meddirektör för Canary Center vid Stanford för tidig cancerupptäckt och fakultetsstipendiat vid Sarafan ChEM‑H.

Dock, enligt DeSimone, börjar industrin fokusera på 3D‑produkter snarare än dessa processer, som “blir tydligt värdefulla och användbara.” Så frågan nu är:

“Vilka är de högvärdiga tillämpningarna?”

Enligt studien möjliggör mikroskopiska partiklar med invecklade mönster direkt integration i analytiska, biomedicinska och avancerade materialtillämpningar.

Forskarna själva har experimenterat med produktion av både mjuka och hårda partiklar, gjorda av hydrogeler, som kan användas för läkemedelsleverans i kroppen, samt keramer, som kan användas i tillverkning av mikroelektronik.

Genom att använda dem i produktionen av hydrogelpartiklar blir det möjligt att fylla dessa partiklar för att uppnå justerbara, gradient‑ eller pulserande frisättningsprofiler i en enda injektion. Många tidigare studier har utforskat skapandet av lämpliga fotopolymerhartsystem och undersökt hur materialens form, storlek och biokompatibilitet påverkar lokalisering och leverans. Detta ledde till skapandet av bioscaffolds och leveransmanifolder, vilket öppnade många möjligheter för att tillverka hydrogelpartiklar för läkemedelsleverans, trots att det inte involverade en skalbar, ombytlig tillverkningsprocess.

Här tillverkade teamet hydrogelkuber med en enhetsstorlek på 400 µm och fyllde dem manuellt med cirka åtta nl av representativ last efter utskrift, följt av ett hydrogel‑lock. Studien lyfte fram potentialen för en programmerbar pall av lastfrisättning genom framtida forskning genom att bygga på tidigare studier om läkemedelsleverans‑kinesik och utnyttja de justerbara egenskaperna hos molekylvikt och väggtjocklek.

Material‑ och mekanisk mångsidighet, från keramik till hydrogel, kan också hjälpa till att skapa smarta material. Så genom att demonstrera tillverkningspotential över ett så brett spektrum har detta skalbara partikelproduktionssätt även potentiella tillämpningar i mikrovärktøy och elektronik, tillade de.

Den höga genomströmningen av tekniken (r2rCLIP) har samtidigt direkta implikationer för industriell produktion av mikroutrustning såsom mikroroboter och leveranssystem. Detta är särskilt stödjande för produktion av keramiska material.

Genom att använda förkeramiska hartser för att tillverka tekniska keramiska partiklar i massskala, säger studien, kan det ha möjliga tillämpningar i mikroelektromekaniska system, mekaniska planariseringsmetoder som slurry‑komponenter och ledande partiklar som möjliggör industriella tillämpningar såsom telekommunikation och sjukvård.

Enligt Dulay, seniorforskningsvetenskapsman:

“Det finns ett brett spektrum av tillämpningar, och vi är bara i början av att utforska dem. Det är ganska extraordinärt var vi befinner oss med den här tekniken.”

Företag som använder innovativa tillvägagångssätt för additiv tillverkning

Låt oss nu titta på ett par företag som leder vägen inom 3D‑tryck:

#1. HP Inc.

Ett välkänt namn inom den traditionella tryckindustrin, HP Inc., har gjort många framsteg inom 3D‑tryck, vilket involverar deras Multi Jet Fusion (MJF)-teknik som är avsedd för industriell produktion. Den erbjuder hög hastighet för 3D‑tryck och möjlighet att kontrollera egenskaperna för varje enskild voxel. Företagets Jet Fusion för industriell produktion och prototypframtagning omfattar 5600-serien för att optimera tillämpningar för flexibel produktion i skala, 5400-serien för högkvalitativa vita tillämpningar, 5200-serien för att producera högvärdiga slutliga 3D‑delar, och 4200-serien för att optimera produktivitet och kostnad.

Denna vecka planerar HP att visa 3D‑skrivna delar som utnyttjar deras nya material, PA 12 S, på den årliga AM Forum-konferensen i Berlin. Materialet är skräddarsytt för företagets 3D‑polymerlösningar som används i industrin och erbjuder fördelar som kostnadsreduktion och utmärkt ytaestetik.

Med ett börsvärde på 29,83 mrd USD handlas företagets aktier till 30,66 USD, upp 1,1 % år‑till‑datum (YTD). Företaget har redovisat intäkter (TTM) på 53,1 mrd USD, en EPS (TTM) på 3,41 och ett P/E‑tal (TTM) på 8,91. Det betalar en utdelningsavkastning på 3,62 %..

#2. Materialise NV

Detta belgiska företag erbjuder ett brett utbud av 3D‑trycktjänster, inklusive metall- och polymerutskrifter. Företaget är särskilt känt för sin expertis inom hälsosektorn, där det använder 3D‑tryck för implantat, kirurgiska guider och anatomiska modeller.

Sent förra året gick det japanska bild- och elektronikföretaget Ricoh ihop med Materialise för att införa punkt‑vid‑vård 3D‑tryck på amerikanska sjukhus, vilket möjliggör produktion av anatomiska modeller av en patients anatomi. Och förra månaden lanserade Materialise en personlig 3D‑skriven temporomandibulär led (TMJ)-behandling.

Med ett börsvärde på 293,56 milj. USD handlas företagets aktier till 5,36 USD, ned mer än 24 % YTD. Företaget har redovisat intäkter (TTM) på 278,69 milj. USD, en EPS (TTM) på 0,13 och ett P/E‑tal (TTM) på 39,57.

Nyligen meddelade företaget sina finansiella resultat för Q4 och hela 2023, under vilka dess intäkter ökade med 4,1 % till 65,3 milj. € respektive 10,4 % till 256,1 milj. €, trots de “turbulenta makroekonomiska och geopolitisk­a förhållandena”.

Materialise rapporterade också 128 milj. € i kontanter och likvida medel, vilket dess VD Brigitte de Vet‑Veithen sade, tillsammans med ytterligare säkrad finansiering, gör dem “väl positionerade” att fortsätta erbjuda innovativa 3D‑produkter och mjukvarulösningar.

Slutsats

Som vi nämnde ovan har 3D‑tryck stora fördelar i flera branscher, inklusive medicin, fordonsindustri, rymdteknik, konsumentvaror, smycken samt försvar och militär. Även om det redan får ökad nyfikenhet och användning kommer dess antagande bara att växa under de kommande åren när mer forskning möjliggör produktion av objekt i skala. Framtiden för 3D‑tryck är helt enkelt ljus, vilket visar löftet att revolutionera tillverkning och skapa en mer motståndskraftig framtid.