3D Baskılı Mikroskobik Parçacıklar Tıbbı ve Elektroniği Değiştirebilir

3D baskı dünyasındaki devrimler hızlı bir tempoda gerçekleşiyor. Bu ayın başlarında Almanya’da bir şirket oluşturdu Wave House’u 3D baskı ile. Bu, 600 sq m (6,600 sq ft) ölçümde, Avrupa’nın en büyük 3D baskılı binasıdır ve geleneksel inşaat yöntemleriyle gerçekleştirilemeyen dalga tasarımına sahip benzersiz bir görünüme sahiptir. 3D yapı baskı teknolojisi tasarım özgürlüğü sağladı ve yaklaşık 140 saat sürdü.

Geçtiğimiz hafta, dünyanın ilk 3D baskılı camisi, 5,600 sqm alana sahip, Suudi Arabistan’ın Cidde şehrinde açıldı. Caminin inşası altı ay sürdü.

3D baskı teknolojisinden bahsedince, Texas merkezli ICON yakın zamanda tanıttı robot koluna monte edilmiş Phoenix adlı 3D yazıcısını. Bu yazıcı, düşük karbonlu bir karışımdan tamamen kapalı sistemlerle çok katlı yapılar oluşturabilir. 70 feet (yaklaşık 21,3 metre) yüksekliğinde olan Phoenix, ICON’un şu anki yazıcısı Vulcan’dan (şasi daha yere yakın bir gantri sistemi) daha yüksek yapı (27 feet’e kadar) inşa etme imkanı sağlar.

Şirket ayrıca, ölçekli kullanım için hazır olan “en düşük karbonlu konut inşa sistemi” olan CarbonX adlı yeni bir malzeme karışımının geliştirilmesini duyurdu. Ayrıca, ICON sistemlerine yapay zekâ entegre ederek, herkesin Vitruvius platformu aracılığıyla 3D baskı yapılabilir ev şemaları tasarlamasını sağladı.

Ama hepsi bu kadar değil. Geçtiğimiz ay, 3D baskı olanak sağladı son derece gerçekçi görünümlü protez gözlerin sadece 90 dakikada üretilmesini, oysa deneyimli bir teknisyenin manuel olarak bir göz üretmesi genellikle 8 saat sürer. Ayrıca dronlar, itici maddeler ve patlayıcıların 3D baskısı da mevcut.

Yukarıda belirttiğimiz gibi, 3D baskı açıkça hızlı bir şekilde ilerliyor ve bu, bu alandaki ilginin büyük ölçüde artmasıyla mantıklı. Artan ilgi, bu tekniğin özel şekiller oluşturma ve tek bir parçada birden fazla malzeme yazdırma yeteneği sayesinde para ve malzeme tasarrufu sağlarken çevre dostu olmasından kaynaklanıyor.

Katmanlı imalat olarak da adlandırılan 3D baskı, bir nesneyi oluşturmak için bir yazıcı kullanarak malzemeyi katman katman biriktirir. Ancak, sınırlı malzeme çeşitliliği, belirli malzemelerin şekillendirilmesi, sınırlı boyut, tasarım hataları ve daha fazlası gibi zorlukları da vardır.

Bu nedenle, bilim insanları bu zorlukların üstesinden gelmek ve 3D baskıyı ölçeklenebilir şekilde daha etkili ve uygulanabilir hâle getirmek için çalışıyor.

Son zamanlarda, bir çalışma mikroskobik ölçekte 3D baskı için yeni bir süreç geliştirdi; bu süreç, günde bir milyona kadar parçacık üreterek, neredeyse her şekli üretim, tıp ve araştırma amaçlı kullanıma sunuyor. 

3D Baskılı Mikroskobik Parçacıklar

Nature dergisinde yayımlanan çalışma “Roll-to-roll, yüksek çözünürlüklü şekil-özel parçacıkların 3D baskısı” adıyla biliniyor ve Stanford Üniversitesi araştırmacıları tarafından yürütülüyor.

Çalışmaya katılanlar arasında Stanford Kimya Bölümü’nden doktora öğrencisi Jason M. Kronenfeld, Radyoloji Bölümü’nde çalışan Lukas Rother ve Maria T. Dulay yer alıyor. Ayrıca Max A. Saccone ve Joseph M. DeSimone hem Radyoloji Bölümü’nde hem de Kimya Mühendisliği Bölümü’nde görev yapıyor.

Çalışmada araştırmacılar, parçacık üretiminin mikroelektronik, aşındırıcılar, granüler sistemler, mikrofıloz, biyomühendislik ve ilaç ve aşı dağıtımı gibi çeşitli uygulamaları sayesinde popülerleştiğini belirtti.

Bu son derece küçük 3D baskılı parçacıkların geniş bir uygulama yelpazesi olmasına rağmen, sahne hareketi, ışık dağıtımı ve reçine (çok yapışkan bir madde) özellikleri arasında hassas bir koordinasyon gerektirir. Bu da bu tür özelleştirilmiş mikroskobik parçacıkların ölçeklenebilir üretimini zorlaştırır.

Bu nedenle Stanford araştırmacıları, şekil-özel parçacıkların üretimi için ölçeklenebilir yüksek çözünürlüklü bir 3D baskı tekniği tanıttı. Roll-to-roll sürekli sıvı arayüz üretimi (r2rCLIP) temelli bu işlem tekniği, günlük olarak büyük miktarda özelleştirilebilir ve son derece detaylı mikroskobik parçacıkların basımında çok daha verimlidir.

Çalışmanın baş yazarına, DeSimone laboratuvarındaki doktora adayı Kronenfeld’a göre, bu teknik, mikroskobik ölçekte daha geniş bir malzeme yelpazesinden daha karmaşık şekiller oluşturulmasını ve parçacık üretiminde daha önce görülmemiş hızlarda üretim yapılmasını sağlıyor.

Araştırma, DeSimone ve ekibi tarafından 2015’te, neredeyse on yıl önce tanıtılan sürekli sıvı arayüz üretimi (CLIP) adlı baskı tekniği üzerine inşa edilmiştir.

CLIP, UV ışığını kullanır ve dilimler halinde projekte ederek reçineyi istenen şekle hızlıca sertleştirir. Bu tekniği ayıran özellik, UV ışık projektörünün üzerindeki oksijenin geçebildiği bir pencere bulunmasıdır. Bu oksijen geçirgen penceresi, “ölü bölge” adı verilen bir alan oluşturarak sıvı reçinenin pencereye yapışmasını önler. Böylece, her katmanı pencereden ayırmadan hassas özellikleri sertleştirebiliriz ve bu da daha hızlı parçacık baskısı sağlar.

“Işık kullanarak kalıpsız nesneler üretmek, parçacık dünyasında tamamen yeni bir ufuk açıyor.”

Bunu ölçeklenebilir bir seviyede gerçekleştirmek, bu parçacıkları “geleceğin endüstrilerini yönlendirmek” için kullanma fırsatları sunabilir, diye ekledi.

3D baskının potansiyel 500 milyar dolarlık bir pazar olmasını öğrenmek için buraya tıklayın.

r2rCLIP ile Kitle Üretimini Sağlamak

CLIP temelli olarak, araştırmacılar benzersiz şekilli nanoskobik parçacıklar için kitle üretim süreci geliştirdi. İlk olarak, bir filmi dikkatlice gererek CLIP yazıcısına gönderdi ve burada yüzlerce şekil aynı anda filme basıldı.

Daha sonra yıkama, kürleme ve şekillerin çıkarılması aşamalarına geçilir. Bu adımlar, kullanılan malzeme ve şekle göre özelleştirilebilir. Boş film sonunda tekrar rulo haline getirilir; bu yüzden adı roll-to-roll CLIP ya da r2rCLIP olarak adlandırılır.

Tek haneli mikron çözünürlüklü optiklerin ve statik bir platform yerine sürekli bir film rulosunun kullanılması, araştırmacıların farklı malzemelerden ve daha karmaşık geometrilerden parçacıkların hızlı ve değiştirilebilir üretimini ve serbest bırakılmasını sağlamasına olanak tanıdı.

Çalışmaya göre, geometriler gelişmiş kalıp tabanlı tekniklerle elde edilemeyen şekilleri içeriyordu; bu da ekibin yaklaşımının benzersiz yeteneklerini gösteriyor.

r2rCLIP’in kalıplanabilir ve kalıplanamaz formları, baskı sırasında 2.0 × 2.0 µm² voxel (tek bir örnek) boyutları ve desteklenmemiş 1.1 ± 0.3 µm kalınlığıyla gösterildi.

Roll-to-roll CLIP’ten önce, basılmış parçacıkların bir partisi manuel olarak işlenmek zorundaydı; bu yavaş bir süreçti ve büyük fiziksel çaba gerektiriyordu. r2rCLIP’in otomasyonu şimdi, günlük olarak 1.000.000 parçacığa kadar ulaşan benzeri görülmemiş bir üretim seviyesine izin veriyor.

Parçacık baskı süreci, CLIP yazıcısının statik yapı plakası yerine sürekli film, modüler, roll-to-roll sistemle değiştirerek tam otomasyona ulaştı. Bu, temizlik, son kürleme ve parçacık toplama (hasat) gibi otomatik hat içi son işlemeyi mümkün kılıyor.

Makalelerinde ekip, roll-to-roll CLIP tekniğini parçacık üretiminde kullanmanın büyük avantajının doğuştan kalıpsız bir süreç olmasını vurguladı. Bu, düzeni değiştirmeye gerek kalmadan geniş bir parçacık geometrisi yelpazesi üretmeyi sağlıyor.

Parçacık üretiminde, farklı yaklaşımlar ölçeklenebilirlik, hız, tekdüzelik, malzeme özellikleri ve geometrik kontrol arasında ödünleşmelere sahiptir. Örneğin, bazı süreçler nanometre ölçeğinde baskı yapabilse de daha yavaştır.

“Hız ve çözünürlük arasında hassas bir denge kuruyoruz,” dedi Kronenfeld. Tekniklerinin, yüksek çözünürlüklü çıktılar üretmede “özgün bir yetenek” taşıdığını, ancak aynı zamanda farklı uygulamalar için gereken parçacık üretim hacimlerini karşılamak üzere gerekli hızı da koruyabildiğini belirtti.

“Çevirisel etki potansiyeline sahip tekniklerin, araştırma laboratuvarı ölçeğinden endüstriyel üretim ölçeğine uygulanabilir bir şekilde uyarlanabilir olması gerekir.”

Geniş Uygulamalar

Araştırma, Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu Programı ve Bill & Melinda Gates Vakfı tarafından finanse edilmekte olup, diğer araştırmacılar ve endüstri tarafından geniş çapta benimsenmeyi hedefliyor.

3D baskının hızla evrimleşmesiyle, r2rCLIP burada “temel bir teknoloji” olarak duruyor, dedi DeSimone; Stanford’un Satnford’un STEMM Mentorluk Merkezi’nin kurucu fakülte direktörü, Stanford Kanser Erken Tespiti Canary Center’ın ortak direktörü ve Sarafan ChEM-H fakülte üyesi.

Ancak DeSimone’ye göre, endüstri bu süreçlerden ziyade 3D ürünlere odaklanmaya başlıyor; bu süreçler “açıkça değerli ve faydalı” hale geliyor. Dolayısıyla şimdi soru şu:

“Yüksek değerli uygulamalar nelerdir?”

Çalışmaya göre, karmaşık tasarımlı mikroskobik parçacıklar, analitik, biyomedikal ve ileri malzeme uygulamaları içinde doğrudan entegrasyonu mümkün kılıyor.

Araştırmacılar, hem yumuşak hem de sert parçacıkların üretimiyle deneyler yapıyor; hidrojelden yapılanlar vücut içinde ilaç dağıtımına, seramiklerden yapılanlar ise mikroelektronik üretiminde kullanılabilir.

Hidrojel parçacıkların üretiminde kullanıldıklarında, bu parçacıkları tek bir enjeksiyonda ayarlanabilir, gradyan veya pulsatif salım profilleri elde edecek şekilde doldurmak mümkün oluyor. Önceki birçok çalışma, uygun fotopolimer reçine sistemlerinin oluşturulmasını ve malzemelerin şekil, boyut ve biyouyumluluğunun konumlandırma ve dağıtım üzerindeki etkisini incelemişti. Bu, biyoskelet ve dağıtım manifoldlarının yaratılmasına yol açtı; bu da ölçeklenebilir, değiştirilebilir bir üretim prosedürü içermese de hidrojel parçacıkların ilaç dağıtımı için üretilmesinde sayısız fırsat açtı.

Burada ekip, 400 µm birim boyutunda hidrojel küpler üretti ve baskı sonrası yaklaşık sekiz nl temsilci yükle manuel olarak doldurdu, ardından bir hidrojel kapağı ekledi. Çalışma, ilaç taşıma kinetiği üzerine önceki araştırmalara dayanarak ve moleküler ağırlık ile duvar kalınlığının ayarlanabilir özelliklerinden yararlanarak gelecekteki araştırmalarla programlanabilir bir yük salım paleti potansiyelini vurguladı.

Seramikten hidrojele kadar malzeme ve mekanik çok yönlülük, akıllı malzemelerin yaratılmasına da yardımcı olabilir. Bu yüzden, bu kadar geniş bir yelpazede üretim potansiyelini göstererek, bu ölçeklenebilir parçacık üretim yaklaşımının mikro araçlar ve elektronik alanında da potansiyel uygulamaları olduğu eklendi.

Tekniğin (r2rCLIP) yüksek verimi, mikro robotlar ve yük taşıma sistemleri gibi mikro cihazların endüstriyel ölçekli üretimi üzerinde doğrudan etkiler yaratıyor. Bu, özellikle seramik malzemelerin üretimi için destekleyicidir.

Çalışma, ön-ceramik reçineleri kullanarak teknik seramik parçacıkları kitle ölçeğinde üretmenin, mikroelektromekanik sistemler, sürtünme azaltma teknikleri için sürahi bileşenleri ve telekomünikasyon ve sağlık gibi endüstriyel uygulamalara izin veren iletken parçacıklar gibi potansiyel uygulamalara sahip olabileceğini belirtiyor.

“Geniş bir uygulama yelpazesi var ve biz henüz bunları keşfetmeye yeni başladık. Bu teknikle bulunduğumuz nokta oldukça olağanüstü,” dedi Dulay.

Katmanlı Üretimde Yenilikçi Yaklaşımlar Kullanan Şirketler

Şimdi, 3D baskıda öncü konumda olan birkaç şirkete bir göz atalım:

#1. HP Inc.

Geleneksel baskı endüstrisinde tanınmış bir isim olan HP Inc., Multi Jet Fusion (MJF) teknolojisini içeren 3D baskıda birçok adım attı; bu teknoloji endüstriyel üretim için tasarlanmıştır. Yüksek hızlı 3D baskı ve her bir voxel’in özelliklerini kontrol etme imkanı sunar. Şirketin endüstriyel üretim ve prototipleme için Jet Fusion serileri arasında 5600 Serisi, esnek üretim ölçeği için 5400 Serisi, yüksek değerli son 3D parça üretimi için 5200 Serisi ve verimlilik ve maliyet optimizasyonu için 4200 Serisi bulunuyor.

Bu hafta HP, Berlin’deki yıllık AM Forum Konferansı’nda yeni malzemesi PA 12 S’yi kullanarak 3D baskılı parçaları sergilemeyi planlıyor. Bu malzeme, şirketin endüstrilerde kullanılan 3D polimer çözümleri için özel olarak üretilmiş olup, maliyet azaltma ve mükemmel yüzey estetiği gibi faydalar sunuyor.

29,83 milyar dolarlık piyasa değerine sahip olan şirketin hisseleri şu an 30,66 dolardan işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %1,1 artış gösterdi (YTD). Şirket, son 12 ayda (TTM) 53,1 milyar dolar gelir, 3,41 EPS (TTM) ve 8,91 P/E (TTM) kaydetti. %3,62 temettü verimi ödüyor.

#2. Materialise NV

Bu Belçika merkezli şirket, metal ve polimer baskı dahil geniş bir 3D baskı hizmet yelpazesi sunuyor. Şirket, özellikle sağlık sektöründeki uzmanlığıyla tanınıyor; burada 3D baskıyı implantlar, cerrahi rehberler ve anatomik modeller için kullanıyor.

Geçen yılın sonlarında, Japon görüntüleme ve elektronik şirketi Ricoh, Materialise ile ortaklık kurarak ABD hastanelerinde nokta bakımında 3D baskıyı getirdi; bu, hastanın anatomisinin anatomik modellerinin üretilmesini sağlayacak. Geçtiğimiz ay ise Materialise, kişiselleştirilmiş 3D baskılı temporomandibular eklem (TMJ) tedavisi başlattı.

293,56 milyon dolarlık piyasa değerine sahip şirketin hisseleri şu an 5,36 dolardan işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %24’ten fazla düşüş yaşadı (YTD). Şirket, son 12 ayda (TTM) 278,69 milyon dolar gelir, 0,13 EPS (TTM) ve 39,57 P/E (TTM) kaydetti.

Şirket, yakın zamanda Q4 ve tüm 2023 yılı için finansal sonuçlarını açıkladı; bu dönemde gelirleri sırasıyla %4,1 artarak 65,3 milyon € ve %10,4 artarak 256,1 milyon € oldu, “dalgalı makroekonomik ve jeopolitik koşullara” rağmen.

Materialise ayrıca 128 milyon € nakit ve nakit benzeri varlık bildirdi; CEO’su Brigitte de Vet-Veithen, ek finansman sağlanmasıyla birlikte şirketin yenilikçi 3D ürün ve yazılım çözümleri sunmaya “iyi konumlandığını” söyledi.

Sonuç

Yukarıda belirttiğimiz gibi, 3D baskı tıp, otomotiv, havacılık, tüketici ürünleri, mücevherat ve savunma ve askeri gibi birçok sektörde büyük faydalar sağlıyor. Zaten artan bir merak ve kullanım görüyor ve araştırmalar nesnelerin ölçekli üretimini mümkün kıldıkça benimsenmesi önümüzdeki yıllarda daha da artacak. 3D baskının geleceği sadece parlak, üretimi devrim niteliğinde değiştirme ve daha dayanıklı bir gelecek yaratma vaadini gösteriyor.