Friformstryck låter forskarna göra intrikata strukturer, som denna modell av ett hjärta, som inte kunde göras med traditionell lager-för-lager 3-D-utskrift. Strukturerna skulle kunna användas som ställningar för vävnadsteknik eller tillverkning av anordningar. Kredit:Travis Ross, Beckmaninstitutet
Ingenjörer från University of Illinois byggde en 3-D-skrivare som erbjuder en söt lösning för att göra detaljerade strukturer som kommersiella 3-D-skrivare inte kan:Snarare än ett lager-på-lager solid skal, den producerar ett känsligt nätverk av tunna band av härdat isomalt, den typ av sockeralkohol som används för att göra halstabletter.
De vattenlösliga, biologiskt nedbrytbara glasartade sockerstrukturer har flera tillämpningar inom biomedicinsk teknik, cancerforskning och apparattillverkning.
"Det här är ett bra sätt att skapa former runt vilka vi kan mönstra mjuka material eller odla celler och vävnad, sedan löses ställningen upp, sa Rohit Bhargava, en professor i bioteknik och chef för Cancer Center i Illinois. "Till exempel, en möjlig tillämpning är att odla vävnad eller studera tumörer i labbet. Cellkulturer görs vanligtvis på platta skålar. Det ger oss några egenskaper hos cellerna, men det är inte ett särskilt dynamiskt sätt att se på hur ett system faktiskt fungerar i kroppen. I kroppen, det finns väldefinierade former, och form och funktion är mycket nära besläktade."
I en artikel publicerad i tidskriften Additive Manufacturing, forskargruppen beskrev materialen och mekaniken för isomalttryck i fritt format. Fri form betyder att när munstycket rör sig genom rymden, det smälta materialet hårdnar, lämnar en robust struktur bakom sig – som att rita i luften.
Illinois professor Rohit Bhargava, vänster, och Ph.D. Utexaminerade Matthew Gelber utvecklade en 3D-skrivare i fri form som kan skapa ställningar av socker för vävnadsteknik och tillverkningstillämpningar. Kredit:University of Illinois i Urbana-Champaign
Andra typer av sockertryck har tidigare utforskats, men har problem med att sockret bränner eller kristalliserar, sa Matthew Gelber, den första författaren till tidningen som nyligen tog examen från Bhargavas grupp med en doktorsexamen.
Illinois-teamet fann att sockeralkoholisomalt kan fungera för utskriftsapplikationer och är mindre benäget att bränna eller kristallisera. Sedan var de tvungna att bygga en skrivare som skulle ha rätt kombination av mekaniska detaljer för att skriva ut stabila isomaltstrukturer – rätt temperatur, tryck för att extrudera det från munstycket, munstyckets diameter, och hastighet för att flytta den så att den skriver ut smidigt men sedan hårdnar till en stabil struktur.
"Efter materialen och mekaniken, den tredje komponenten var datavetenskap, "Sade Gelber. "Du har en design av en sak du vill göra; hur säger du till skrivaren att göra det? Hur räknar du ut sekvensen för att skriva ut alla dessa korsande filament så att de inte kollapsar?"
Maskinen skriver ut fritt format, det smälta sockret hårdnar i luften när det trycker. Kredit:Matthew Gelber
Forskarna i Illinois samarbetade med Greg Hurst vid Wolfram Research i Champaign för att skapa en algoritm för att designa ställningar och kartlägga utskriftsvägar.
En fördel med sådana friformsstrukturer är deras förmåga att göra tunna rör med cirkulära tvärsnitt, något som inte är möjligt med konventionell polymer 3-D-utskrift, sa Bhargava. När sockret löser sig, den lämnar en serie sammankopplade cylindriska rör och tunnlar som kan användas som blodkärl för att transportera näringsämnen i vävnad eller för att skapa kanaler i mikrofluidiska enheter.
En 3D-tryckt kanin gjord av isomaltsocker blandat med ett glödande rött färgämne som används vid biomedicinsk bildbehandling. Kredit:Troy Comi
En annan fördel är möjligheten att exakt kontrollera de mekaniska egenskaperna för varje del av strukturen genom att göra små ändringar i skrivarparametrarna.
"Till exempel, vi tryckte en kanin. Vi kunde, i princip, ändra de mekaniska egenskaperna hos kaninens svans så att de skiljer sig från kaninens baksida, och ändå vara annorlunda än öronen, ", sade Bhargava. "Detta är mycket viktigt biologiskt. I lager-för-lager-utskrift, du har samma material och du sätter in samma belopp, så det är väldigt svårt att justera de mekaniska egenskaperna."
Bhargavas grupp använder redan byggnadsställningarna i en mängd olika mikrofluidiska enheter och cellkulturer, och man arbetar med att utveckla beläggning för ställningarna för att kontrollera hur snabbt de löses upp. The Additive Manufacturing paper är en del av en serie publikationer baserade på Gelbers examensarbete som beskriver hur man bygger skrivaren och de planeringsalgoritmer som krävs för att driva den, eftersom forskarna hoppas att andra kan använda deras modeller för att bygga skrivare och utforska olika applikationer för isomaltstrukturer.
"Denna skrivare är ett exempel på ingenjörskonst som har långsiktiga konsekvenser för biologisk forskning, "Bhargava sa. "Detta är grundläggande ingenjörskonst som kommer tillsammans med materialvetenskap och datavetenskap för att göra en användbar enhet för biomedicinska tillämpningar."
