Ingenieurs van de Universiteit van Illinois hebben een 3D-printer gebouwd die een mooie oplossing biedt voor het maken van gedetailleerde structuren die commerciële 3D-printers niet kunnen:in plaats van een laag-op-laag solide omhulsel, het produceert een delicaat netwerk van dunne linten van gehard isomalt, het type suikeralcohol dat wordt gebruikt om keelpastilles te maken.

De in water oplosbare, biologisch afbreekbare glasachtige suikerstructuren hebben meerdere toepassingen in de biomedische technologie, kankeronderzoek en de fabricage van apparaten.

"Dit is een geweldige manier om vormen te creëren waaromheen we zachte materialen kunnen vormen of cellen en weefsel kunnen laten groeien, dan lost het schavot op, " zei Rohit Bhargava, een professor in bio-engineering en directeur van het Cancer Center in Illinois. "Bijvoorbeeld, een mogelijke toepassing is het kweken van weefsel of het bestuderen van tumoren in het laboratorium. Celculturen worden meestal gedaan op platte schalen. Dat geeft ons enkele kenmerken van de cellen, maar het is geen erg dynamische manier om te kijken naar hoe een systeem werkelijk functioneert in het lichaam. In het lichaam, er zijn goed gedefinieerde vormen, en vorm en functie zijn zeer nauw verwant."

In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Additive Manufacturing, de onderzoeksgroep beschreef de materialen en mechanica van isomalt-printen in vrije vorm. Vrije vorm betekent dat als het mondstuk door de ruimte beweegt, het gesmolten materiaal hardt uit, een stevige structuur achterlatend - zoals tekenen in de lucht.

Andere soorten suikerafdrukken zijn eerder onderzocht, maar problemen hebben met het verbranden of kristalliseren van suiker, zei Matthew Gelber, de eerste auteur van het artikel die onlangs afstudeerde aan Bhargava's groep met een Ph.D.

Het Illinois-team ontdekte dat de suikeralcoholisomalt zou kunnen werken voor printtoepassingen en minder vatbaar is voor verbranding of kristallisatie. Daarna moesten ze een printer bouwen die de juiste combinatie van mechanische details zou hebben om stabiele isomalt-structuren te printen - de juiste temperatuur, druk om het uit het mondstuk te extruderen, diameter van het mondstuk, en snelheid om het te verplaatsen, zodat het soepel wordt afgedrukt maar vervolgens uithardt tot een stabiele structuur.

"Na de materialen en de mechanica, het derde onderdeel was informatica, "Zei Gelber. "Je hebt een ontwerp van een ding dat je wilt maken; hoe vertel je de printer om het te maken? Hoe bepaal je de volgorde om al deze elkaar kruisende filamenten af ​​te drukken, zodat ze niet instorten?"

De Illinois-onderzoekers werkten samen met Greg Hurst van Wolfram Research in Champaign om een ​​algoritme te creëren om steigers te ontwerpen en printpaden in kaart te brengen.

Een voordeel van dergelijke vrije-vormstructuren is hun vermogen om dunne buizen te maken met cirkelvormige doorsneden, iets wat niet mogelijk is met conventioneel polymeer 3D-printen, zei Bhargava. Als de suiker oplost, het laat een reeks verbonden cilindrische buizen en tunnels achter die kunnen worden gebruikt als bloedvaten om voedingsstoffen in weefsel te transporteren of om kanalen te creëren in microfluïdische apparaten.

Een ander voordeel is de mogelijkheid om de mechanische eigenschappen van elk deel van de structuur nauwkeurig te regelen door kleine wijzigingen in de printerparameters aan te brengen.

"Bijvoorbeeld, we hebben een konijntje geprint. We konden, in principe, verander de mechanische eigenschappen van de staart van het konijn zodat het anders is dan de rug van het konijn, en toch anders zijn dan de oren, " zei Bhargava. "Dit is biologisch erg belangrijk. Bij laag-voor-laag printen, je hebt hetzelfde materiaal en je stort hetzelfde bedrag, dus het is erg moeilijk om de mechanische eigenschappen aan te passen."

Bhargava's groep gebruikt de steigers al in verschillende microfluïdische apparaten en celculturen, en het werkt aan de ontwikkeling van een coating voor de steigers om te bepalen hoe snel ze oplossen. Het Additive Manufacturing-document maakt deel uit van een reeks publicaties op basis van Gelbers proefschrift, waarin wordt beschreven hoe de printer moet worden gebouwd en welke planningsalgoritmen nodig zijn om deze te bedienen, omdat de onderzoekers hopen dat anderen hun modellen kunnen gebruiken om printers te bouwen en verschillende toepassingen voor isomalt-structuren te verkennen.

"Deze printer is een voorbeeld van techniek die langetermijnimplicaties heeft voor biologisch onderzoek, "Bhargava zei. "Dit is fundamentele techniek die samenkomt met materiaalwetenschap en computerwetenschap om een ​​nuttig apparaat te maken voor biomedische toepassingen."