Några exempel på komplexa 3D-geometrier tryckta med 3D-is, inklusive en helix, ett träd och en en halv millimeter hög bläckfisk. Kredit:College of Engineering, Carnegie Mellon University
Stora vetenskapliga genombrott kräver ofta uppfinningar i minsta skala. Framsteg inom vävnadsteknik som kan ersätta hjärtan och lungor kommer att kräva tillverkning av konstgjorda vävnader som tillåter blodflödet genom passager som inte är tjockare än ett hårstrå. På liknande sätt kommer miniatyr softbotic (soft-robot) enheter som fysiskt interagerar med människor säkert och bekvämt att kräva tillverkning av komponenter med komplexa nätverk av små vätske- och luftflödeskanaler.
Framsteg inom 3D-utskrift gör det möjligt att producera så små strukturer. Men för de applikationer som kräver mycket små, smidiga, interna kanaler i specifika komplexa geometrier kvarstår utmaningar. 3D-utskrift av dessa geometrier med traditionella processer kräver användning av stödstrukturer som är svåra att ta bort efter utskrift. Att skriva ut dessa modeller med lagerbaserade metoder med hög upplösning tar lång tid och äventyrar geometrisk noggrannhet.
Forskare vid Carnegie Mellon University har utvecklat en höghastighets, reproducerbar tillverkningsmetod som vänder 3D-utskriftsprocessen "in och ut". De utvecklade ett tillvägagångssätt för 3D-utskrift av isstrukturer som kan användas för att skapa offermallar som senare bildar ledningar och andra öppna funktioner inuti tillverkade delar.
Akash Garg, en Ph.D. student i maskinteknik och Saigopalakrishna Yerneni, en postdoktor i kemiteknik, utvecklade processen och genomförde studier under ledning av Burak Ozdoganlar, Philip LeDuc och Phil Campbell, professorer i mekanisk och biomedicinsk teknik.
"Med vår 3D-isprocess kan vi tillverka ismallar i mikroskala med släta väggar och grenade strukturer med mjuka övergångar. Dessa kan sedan användas för att tillverka mikroskaliga delar med väldefinierade inre tomrum", säger Garg.
Som det mest förekommande ämnet på jordens yta och den primära byggstenen för alla levande organismer, är vatten exceptionellt väl lämpat för användning i biotekniska tillämpningar. Den enkla och snabba fasövergången av vatten till is ger spännande möjligheter att använda vatten som ett miljövänligt konstruktionsmaterial.
"Det blir inte mer biokompatibelt än vatten," sa Garg.
Teamet använder de utskrivna isstrukturerna som offermallar för "omvänd gjutning" eller inifrån och ut 3D-utskrift. Isstrukturerna är nedsänkta i vätskan eller gelformen av ett kylt strukturmaterial, såsom harts. Efter att materialet stelnat eller härdat tas vattnet bort. För detta ändamål kan isen smältas för att evakuera vattnet. Alternativt kan isen sublimeras genom att omvandla den till vattenånga utan att förvandla den till flytande vatten. Denna förmåga att enkelt sublimera isen möjliggör enkel och " skonsam " borttagning efter gjutning och stelning av det omgivande strukturella materialet.
Ett piezoelektriskt bläckstrålemunstycke används för att spruta ut vattendroppar (diameter =50 µm) på en kallbyggd plattform som hålls vid -35 ◦C. Planar (X-Y) rörelser av byggstadiet synkroniseras med dropputsläpp för att skriva ut invecklade isgeometrier. Kredit:College of Engineering, Carnegie Mellon University
Ett högupplöst 3D-utskriftssystem används för att avsätta vattendroppar på en -35 o C specialbyggd temperaturkontrollerad plattform som snabbt omvandlar vattnet till is. Genom att modulera utstötningsfrekvensen för vattendropparna och synkronisera den med scenens rörelser, möjliggör den nya processen utskrift av grenade geometrier med släta ytor och kontinuerliga variationer i diameter med mjuka övergångar.
Forskarna visar detta genom att skriva ut flera komplexa isgeometrier, som ett träd, en helix runt en stolpe och till och med en en och en halv millimeter hög bläckfiskfigur. Vattnets snabba fasförändring och isens styrka möjliggjorde friforms 3D-utskrift av isstrukturer utan att kräva tidskrävande lager-för-lager-utskrift eller stödstrukturer.
Experimentella studier utfördes för att bestämma utskriftsbanan, rörelsestegshastigheten och droppfrekvenserna för att reproducerbart tillverka släta isstrukturer med raka, lutande, förgrenade och hierarkiska geometrier.
"Att kontrollera så många parametrar var utmanande," förklarade Garg. "Vi byggde gradvis upp i komplexitet."
"Detta är en fantastisk prestation som kommer att ge spännande framsteg", kommenterade Ozdoganlar. "Vi tror att detta tillvägagångssätt har en enorm potential att revolutionera vävnadsteknik och andra områden, där miniatyrstrukturer med komplexa kanaler efterfrågas, såsom för mikrofluidik och mjukrobotik."
Fakultetsforskare vid Carnegie Mellon arbetar ofta tillsammans i tvärvetenskapliga team för att lösa sådana tekniska och biologiska utmaningar.
"En av de underbara delarna av Carnegie Mellon är att föra samman människor från många olika discipliner för att utveckla nya tillvägagångssätt och lösa problem på unika nya sätt, vilket är precis vad som hände här för att utveckla dessa spännande rön", säger LeDuc.
The researchers acknowledged the great contribution of the late Lee Weiss, who originally constructed the high-resolution 3D printing system. Weiss was a professor in the College of Engineering and School of Computer Science, as well as a founding member of Carnegie Mellon's Robotics Institute.
The study was published in Advanced Science . While adoption of the 3D ice process for engineering applications such as creating pneumatic channels for soft robotics could be available in as little as a year, its clinical use for tissue engineering will take more time. + Utforska vidare
