Wetenschap
Nieuwe snelle 3D-printtechniek op microschaal
3D-geprinte microscopische deeltjes, zo klein dat ze met het blote oog op stof lijken, hebben toepassingen in de toediening van medicijnen en vaccins, micro-elektronica, microfluïdica en schuurmiddelen voor ingewikkelde productie. De behoefte aan nauwkeurige coördinatie tussen lichtafgifte, podiumbeweging en harseigenschappen maakt de schaalbare fabricage van dergelijke op maat gemaakte deeltjes op microschaal echter een uitdaging. Nu hebben onderzoekers van Stanford University een efficiëntere verwerkingstechniek geïntroduceerd die tot 1 miljoen zeer gedetailleerde en aanpasbare microschaaldeeltjes per dag kan printen.
"We kunnen nu veel complexere vormen tot op microscopische schaal creëren, met snelheden die nog niet eerder zijn aangetoond voor de fabricage van deeltjes, en uit een breed scala aan materialen", zegt Jason Kronenfeld, Ph.D. kandidaat in het DeSimone-lab op Stanford en hoofdauteur van het artikel waarin dit proces wordt beschreven, vandaag gepubliceerd in Nature .
Dit werk bouwt voort op een printtechniek die bekend staat als Continuous Liquid Interface Production, of CLIP, geïntroduceerd in 2015 door DeSimone en collega's. CLIP maakt gebruik van UV-licht, geprojecteerd in plakjes, om hars snel in de gewenste vorm te laten uitharden. De techniek is gebaseerd op een zuurstofdoorlatend venster boven de UV-lichtprojector. Hierdoor ontstaat een "dode zone" die voorkomt dat vloeibare hars uithardt en aan het raam blijft plakken. Als gevolg hiervan kunnen delicate delen worden uitgehard zonder dat elke laag uit een venster wordt gescheurd, wat leidt tot snellere deeltjesafdrukken.
"Het gebruik van licht om objecten zonder schimmels te vervaardigen opent een geheel nieuwe horizon in de deeltjeswereld", zegt Joseph DeSimone, de Sanjiv Sam Gambhir hoogleraar Translationele Geneeskunde aan Stanford Medicine en corresponderend auteur van het artikel. "En we denken dat als we dit op een schaalbare manier doen, er mogelijkheden ontstaan om deze deeltjes te gebruiken om de industrieën van de toekomst te stimuleren. We zijn enthousiast over waar dit toe kan leiden en waar anderen deze ideeën kunnen gebruiken om hun eigen ambities te verwezenlijken." P>
Rol voor rol
Het proces dat deze onderzoekers hebben uitgevonden voor de massaproductie van uniek gevormde deeltjes die kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar doet denken aan een lopende band. Het begint met een folie die zorgvuldig wordt opgespannen en vervolgens naar de CLIP-printer wordt gestuurd. Bij de printer worden honderden vormen tegelijk op de film gedrukt en vervolgens beweegt de assemblagelijn zich voort om de vormen te wassen, uit te harden en te verwijderen. Deze stappen kunnen allemaal worden aangepast op basis van de vorm en het materiaal.
Aan het einde wordt de lege film weer opgerold, waardoor het hele proces de naam roll-to-roll CLIP of r2rCLIP krijgt. Voorafgaand aan r2rCLIP zou een batch afgedrukte deeltjes handmatig moeten worden verwerkt, een langzaam en arbeidsintensief proces. De automatisering van r2rCLIP maakt nu ongekende productiesnelheden tot 1 miljoen deeltjes per dag mogelijk.
Als dit klinkt als een bekende vorm van productie, is dat opzettelijk.
"Je koopt geen dingen die je niet kunt maken", zegt DeSimone, tevens hoogleraar chemische technologie aan de School of Engineering. "De tools die de meeste onderzoekers gebruiken zijn tools voor het maken van prototypes en proefopstellingen, en om belangrijke punten te bewijzen. Mijn laboratorium doet aan translationele productiewetenschap - we ontwikkelen tools die schaal mogelijk maken. Dit is een van de geweldige voorbeelden van waar die focus voor heeft betekend ons."
Bij 3D-printen zijn er afwegingen tussen resolutie en snelheid. Andere 3D-printprocessen kunnen bijvoorbeeld veel kleiner printen – op nanometerschaal – maar zijn langzamer. En natuurlijk heeft macroscopisch 3D-printen al (letterlijk) voet aan de grond gekregen in de massaproductie, in de vorm van schoenen, huishoudelijke artikelen, machineonderdelen, voetbalhelmen, kunstgebitten, gehoorapparaten en meer. Dit werk richt zich op kansen tussen deze werelden.
"We zoeken naar een nauwkeurig evenwicht tussen snelheid en resolutie", aldus Kronenfeld. "Onze aanpak is duidelijk in staat om resultaten met een hoge resolutie te produceren, terwijl het fabricagetempo behouden blijft dat nodig is om te voldoen aan de deeltjesproductievolumes die experts als essentieel beschouwen voor verschillende toepassingen. Technieken met potentieel voor translationele impact moeten haalbaar zijn aanpasbaar van de schaal van een onderzoekslaboratorium tot die van industriële productie."
Hard en zacht
De onderzoekers hopen dat het r2rCLIP-proces breed wordt toegepast door andere onderzoekers en de industrie. Daarnaast gelooft DeSimone dat 3D-printen als vakgebied snel evolueert, voorbij vragen over het proces en in de richting van ambities over de mogelijkheden.
"r2rCLIP is een fundamentele technologie", zegt DeSimone. "Maar ik geloof wel dat we nu een wereld betreden die zich meer op de 3D-producten zelf richt dan op het proces. Deze processen worden duidelijk waardevol en nuttig. En nu is de vraag:wat zijn de hoogwaardige toepassingen?" P>
De onderzoekers van hun kant hebben al geëxperimenteerd met de productie van zowel harde als zachte deeltjes, gemaakt van keramiek en hydrogels. De eerste zouden toepassingen kunnen zien in de productie van micro-elektronica en de laatste in de toediening van medicijnen in het lichaam.
"Er is een breed scala aan toepassingen, en we beginnen ze nog maar net te verkennen", zegt Maria Dulay, senior onderzoekswetenschapper in het DeSimone-lab en co-auteur van het artikel. "Het is heel bijzonder waar we staan met deze techniek."