3D-skrivna mikroskopiska partiklar kan förändra medicin och elektronik

Revolutioner inom 3D-utskriftsvärlden sker i snabb takt. Tidigare denna månad skapade ett företag i Tyskland Wave House, som är Europas största 3D-utskrivna byggnad, med en yta på 600 kvadratmeter (6 600 kvadratfot) och har ett ovanligt utseende med en vågdesign som inte kunde åstadkommas med konventionella byggnadsmetoder. 3D-konstruktionsutskriftstekniken gav frihet att designa och tog cirka 140 timmar.

Förra veckan öppnade världens första 3D-utskrivna moské, som täcker en yta på 5 600 kvadratmeter, i Jeddah, Saudiarabien. Det tog sex månader att slutföra moskéns konstruktion.

När det gäller 3D-utskriftsteknik har det Texasbaserade företaget ICON nyligen presenterat sin robotarmmonterade 3D-skrivare som kallas Phoenix. Denna skrivare kan skapa flervåningskonstruktioner med fullt inkapslade system från en lågkolmålning. På 21 meter hög tillåter Phoenix högre konstruktion (upp till 8 meter hög) än ICON:s nuvarande skrivare, Vulcan, som har ett gitter-system med chassit närmare marken.

Företaget har också meddelat utvecklingen av en ny materialblandning som kallas CarbonX, som är “det lägsta koldioxid-hushållssystemet redo att användas i stor skala.” Dessutom har ICON integrerat AI i sina system så att vem som helst kan designa 3D-utskrivbara hemsscheman via sin Vitruvius-plattform.

Men det är inte allt. Förra månaden möjliggjorde 3D-utskrift skapandet av extremt realistiska protesögon på bara 90 minuter, till skillnad från de vanliga 8 timmarna det tar en skicklig tekniker att producera en manuellt. Sedan finns det 3D-utskrift av drönare, drivmedel och sprängämnen.

3D-utskrift, som vi behandlade ovan, utvecklas tydligt i snabb takt, vilket är logiskt med tanke på att intresset för detta område ökar enormt. Det ökande intresset har berott på denna teknikens förmåga att skapa anpassade former och utskriva flera typer av material i en del, vilket sparar pengar och material samtidigt som det är miljövänligt.

Även kallad additiv tillverkning, innebär 3D-utskrift att stapla ett material i lager med hjälp av en skrivare för att bygga ett föremål. Men det är inte utan utmaningar, särskilt när det gäller begränsade material, formning av vissa material, begränsad storlek, designfel och mer.

Därför arbetar forskare med att hitta sätt att övervinna dessa utmaningar och göra 3D-utskrift ännu mer effektiv och fungerande i stor skala.

Nyligen utvecklade en studie en ny process för 3D-utskrift i mikroskala som utvecklar partiklar, i en takt på upp till 1 miljon per dag, i nästan vilken form som helst för användning i tillverkning, medicin och forskning.

3D-utskrift av mikroskopiska partiklar

Publicerad i Nature, är studien kallad “Roll-to-roll, högupplöst 3D-utskrift av form-specifika partiklar” och genomförd av forskare från Stanford University.

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

I studien noterade forskarna hur partikelfabricering blir allt mer populärt tack vare dess många tillämpningar inom mikroelektronik, slipmedel, granulära system, mikrofluidik, bioingenjörskap och läkemedels- och vaccintillverkning.

Medan dessa extremt små 3D-utskrivna partiklar har en stor mängd tillämpningar, kräver de exakt samordning mellan scenrörelse, ljusleverans och hartsegenskaper. Detta gör det svårt att uppnå storskalig tillverkning av sådana anpassade mikroskopiska partiklar.

Därför introducerade Stanford-forskarna en högupplöst 3D-utskriftsteknik, som är skalbar för tillverkning av form-specifika partiklar. Denna bearbetningsteknik, som bygger på rull-till-rull kontinuerlig flytande gränssnittsproduktion (r2rCLIP), är betydligt mer effektiv för utskrift av stora mängder anpassade och högdetaljerade mikroskopiska partiklar per dag.

Enligt studiens huvudförfattare, Kronenfeld, en doktorand i DeSimones laboratorium, möjliggör denna teknik skapandet av mer komplexa former på mikroskalan, av en stor mängd material, och i hastigheter som inte tidigare setts för partikeltillverkning.

Forskningen bygger på den 3D-utskriftsteknik som kallas kontinuerlig flytande gränssnittsproduktion (CLIP), som introducerades för nästan ett decennium sedan, 2015, av DeSimone och kollegor.

CLIP använder UV-ljus och projicerar det i skivor för att härdra hartset snabbt till den önskade formen. Vad som skiljer denna teknik är att det ovanför UV-ljusprojektorn finns ett fönster som tillåter syre att tränga in. Detta syre-genomsläppliga fönster förhindrar att den flytande hartsen fastnar vid det genom att skapa vad som kallas en “död zon”. Därför kan vi härdra känsliga funktioner utan att slita loss varje lager från fönstret, vilket resulterar i snabbare partikeltillverkning.

Medförfattaren DeSimone, som är Sanjiv Sam Gambhir-professorn i translationell medicin vid Stanford och som har varit ansvarig för många genombrott inom områdena medicinska enheter, nanomedicin och 3D-utskrift, sa:

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

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

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

r2rCLIP för att möjliggöra masstillverkning

Baserat på CLIP skapade forskarna en ny process för masstillverkning av unikt formade nanoskala-partiklar. Först spände de upp en film och skickade den till CLIP-skrivaren, där hundratals former utskrevs på filmen samtidigt.

Sedan flyttades den till tvätt, härdning och borttagning av formerna. Alla dessa steg kan anpassas beroende på det material som används och den form som är involverad. Den tomma filmen, till sist, rullas tillbaka, och därav namnet rull-till-rull CLIP, eller r2rCLIP.

Användningen av single-digit, mikron-upplösta optik, tillsammans med en kontinuerlig rulle av film istället för en statisk plattform, möjliggjorde för forskarna att uppnå snabb permuerbar tillverkning samt lyftning av partiklar från olika material och med mer invecklade geometrier.

Enligt studien inkluderade geometrierna de som inte kunde uppnås med avancerade formbaserade tekniker, vilket visar den unika förmågan hos teamets tillvägagångssätt.

Både de formbara och icke-formbara formerna av r2rCLIP visades med voxel-storlekar på 2,0 × 2,0 µm² i utskrift och med en ostödd tjocklek på 1,1 ± 0,3 µm.

Innan r2rCLIP måste en batch med utskrivna partiklar bearbetas manuellt, vilket är en långsam process som kräver stor fysisk ansträngning. Automatiseringen av r2rCLIP möjliggör nu tillverkning på en utanförägelse, det vill säga upp till 1 000 000 partiklar per dag.

Partikeltillverkningsprocessen uppnådde full automatisering genom att ersätta CLIP-skrivarens statiska byggtavla med ett kontinuerligt filmbaserat, modulärt rull-till-rull-system. Detta möjliggör automatiserad inline-efterbearbetning som inkluderar rengöring, efterhärdning och partikellösgöring (skörd).

I sin artikel noterade teamet att en stor fördel med att använda sin r2rCLIP-teknik för partikeltillverkning är dess medfödda form-lösa process. Detta möjliggör tillverkning av en stor mängd partikelgeometrier utan att behöva ändra layouten.

När det gäller partikeltillverkning innebär olika tillvägagångssätt kompromisser mellan skalbarhet, hastighet, enhetlighet, materialegenskaper och geometrisk kontroll. Till exempel kan vissa processer utskriva på nanometerskalan, men de tenderar att vara långsammare.

“Vi navigerar en exakt balans mellan hastighet och upplösning”, sa Kronenfeld. Deras teknik, noterade han, är “distinkt kapabel” att producera högupplösta utdata, men den kan också bevara den hastighet som behövs för att möta de partikeltillverkningsvolymer som krävs för olika tillämpningar.

Han tillade:

“Tekniker med potential för translationell påverkan måste vara rimligt anpassningsbara från forskningslaboratorie-skalan till industriell produktion.” 

Vidsträckta tillämpningar

Forskningen, som finansierades av National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program och Bill och Melinda Gates Foundation, syftar till att bli allmänt antagen av andra forskare och industrier.

Med 3D-utskrift som utvecklas snabbt, står r2rCLIP här som “en grundläggande teknik”, sa DeSimone, som är en av grundande fakultetsdirektörerna för Stanfords Center for STEMM Mentorship, co-direktör för Canary Center at Stanford för tidig cancerdetektering och en fakultetsmedlem av Sarafan ChEM-H.

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

“Vilka är de högvärdes-tillämpningarna?”

Enligt studien möjliggör mikroskopiska partiklar med invecklade design direkt integration inom analytiska, biomedicinska och avancerade material-tillämpningar.

Forskarna själva har experimenterat med produktion av både mjuka och hårda partiklar, tillverkade av hydrogeler, som kan ha tillämpningar inom läkemedelsdistribution i kroppen, och keramer, som kan användas inom mikroelektronik-tillverkning.

Genom att använda dem i produktionen av hydrogel-partiklar blir det möjligt att fylla dessa partiklar för att uppnå justerbara, gradient- eller pulserande frisättningsprofiler i en enda injektion. Många studier tidigare undersökte skapandet av lämpliga fotopolymer-hartssystem och undersökte materialegenskapernas påverkan på lokaliserings- och distributionsförmåga. Detta ledde till skapandet av bioskelett och distributionsmanifolder, som öppnade upp många möjligheter för tillverkning av hydrogel-partiklar för läkemedelsdistribution, trots att det inte innefattade en skalbar, permuerbar tillverkningsprocess.

Här tillverkade teamet hydrogel-kuber med en enhetsstorlek på 400 µm och fyllde dem manuellt med cirka 8 nl representativ last post-utskrift, följt av att toppa med en hydrogel-kappa. Studien betonade potentialen för en programmerbar pall av last-frisättning genom framtida forskning genom att bygga på tidigare studier om läkemedelsfordonskinetik och utnyttja de justerbara egenskaperna hos molekylärt vikt och väggtjocklek.

Materialegenskaperna och den mekaniska mångfalden, från keramik till hydrogel, kan också bidra till skapandet av smarta material. Så, genom att demonstrera tillverkningspotential över en sådan stor mängd, har denna skalbara partikeltillverkningsmetod också potential tillämpning inom mikroverktyg och elektronik, tillade den.

Den höga genomströmningen av tekniken (r2rCLIP) har direkt implikationer för industriell produktion av mikroenheter som mikroroboter och lastsystem. Detta är särskilt stödbart för produktion av keramiska material.

Genom att använda pre-keramiska hartser för att tillverka tekniska keramiska partiklar i stor skala, säger studien, kan det ha möjliga tillämpningar inom mikro-elektromekaniska system, mekaniska planerings-tekniker som slurry-komponenter och ledande partiklar som kommer att tillåta industriella tillämpningar som telekommunikation och hälsovård.

Enligt Dulay, en senior forskare:

“Det finns en stor mängd tillämpningar, och vi börjar bara utforska dem. Det är ganska extraordinärt var vi är med denna teknik.”

Företag som använder innovativa tillvägagångssätt för additiv tillverkning

Låt oss nu titta på ett par företag som leder vägen inom 3D-utskrift:

#1. HP Inc.

Ett välkänt namn inom den traditionella utskriftsindustrin har HP Inc. varit aktivt inom 3D-utskrift, som innefattar dess Multi Jet Fusion (MJF)-teknik, som är utformad för industriell produktion. Den erbjuder höghastighets-3D-utskrift och möjlighet att kontrollera egenskaperna hos varje enskild voxel. Företagets Jet Fusion för industriell produktion och prototypering innefattar 5600-serien för att optimera applikationer för flexibel produktion i stor skala, 5400-serien för kvalitetsvita applikationer, 5200-serien för att producera högvärdes-final 3D-delar och 4200 för att optimera produktivitet och kostnad.

Denna vecka planerar HP att visa 3D-utskrivna delar som använder sin nya material, PA 12 S, på den årliga AM Forum-konferensen i Berlin. Materialet är specialtillverkat för företagets 3D-polymerlösningar som används inom industrier och erbjuder fördelar som kostnadsreducering och utmärkt ytaestetik.

Med en marknadsvärdering på 29,83 miljarder dollar handlas företagets aktier för 30,66 dollar, upp 1,1 procent sedan årsskiftet. Företaget har rapporterat en omsättning (TTM) på 53,1 miljarder dollar, en vinst per aktie (TTM) på 3,41 dollar och ett P/E-tal (TTM) på 8,91. Det utbetalar en utdelning på 3,62 procent.

#2. Materialise NV

Detta belgiska företag erbjuder en stor mängd 3D-utskriftstjänster, inklusive metall- och polymerutskrift. Företaget är särskilt känt för sin expertis inom hälsovårdssektorn, där det använder 3D-utskrift för implantat, kirurgiska guider och anatomiska modeller.

I slutet av förra året samarbetade det japanska företaget Ricoh med Materialise för att ta point-of-care 3D-utskrift till amerikanska sjukhus, vilket kommer att möjliggöra produktion av anatomiska modeller av en patients anatomi. Och förra månaden lanserade Materialise en personlig 3D-utskriven temporomandibulär led (TMJ)-behandling.

Med en marknadsvärdering på 293,56 miljoner dollar handlas företagets aktier för 5,36 dollar, ner med över 24 procent sedan årsskiftet. Företaget har rapporterat en omsättning (TTM) på 278,69 miljoner dollar, en vinst per aktie (TTM) på 0,13 dollar och ett P/E-tal (TTM) på 39,57.

Nyligen meddelade företaget sina finansiella resultat för det fjärde kvartalet och hela 2023, under vilken dess omsättning ökade med 4,1 procent till 65,3 miljoner euro och 10,4 procent till 256,1 miljoner euro, trots de “turbulenta makroekonomiska och geopolitiska förhållandena”.

Materialise rapporterade också 128 miljoner euro i kontanter och kontantliknande medel, vilket dess VD Brigitte de Vet-Veithen sa, tillsammans med ytterligare finansiering som säkrats, gör det “väl positionerat” för att fortsätta erbjuda innovativa 3D-produkt- och programvarulösningar.

Slutsats

Som vi noterade ovan har 3D-utskrift många fördelar inom flera industrier, inklusive medicin, fordonsindustri, flyg- och rymdindustri, konsumentvaror, smycken och försvar och militär. Medan det redan ser en ökande nyfikenhet och användning, kommer dess antagande att öka under de kommande åren när mer forskning möjliggör produktion av föremål i stor skala. Framtiden för 3D-utskrift är enkel, och visar löftet att revolutionera tillverkning och skapa en mer resilient framtid.