Grote wetenschappelijke doorbraken vereisen vaak uitvindingen op de kleinste schaal. Vooruitgang in weefseltechnologie die harten en longen kan vervangen, vereist de fabricage van kunstmatige weefsels die de bloedstroom door passages mogelijk maken die niet dikker zijn dan een haarlok. Evenzo zullen miniatuur softbotic (soft-robot) apparaten die fysiek veilig en comfortabel met mensen omgaan, de fabricage vereisen van componenten met complexe netwerken van kleine vloeistof- en luchtstroomkanalen.

Vooruitgang in 3D-printen maakt het mogelijk om zulke kleine structuren te produceren. Maar voor die toepassingen die zeer kleine, gladde interne kanalen in specifieke complexe geometrieën vereisen, blijven er uitdagingen. Het 3D-printen van deze geometrieën met behulp van traditionele processen vereist het gebruik van ondersteunende structuren die moeilijk te verwijderen zijn na het printen. Het printen van deze modellen met behulp van op lagen gebaseerde methoden met een hoge resolutie duurt lang en brengt de geometrische nauwkeurigheid in gevaar.

Onderzoekers van de Carnegie Mellon University hebben een snelle, reproduceerbare fabricagemethode ontwikkeld die het 3D-printproces 'binnenstebuiten' keert. Ze ontwikkelden een benadering van 3D-geprinte ijsstructuren die kunnen worden gebruikt om opofferingssjablonen te maken die later de leidingen en andere open functies in gefabriceerde onderdelen vormen.

Akash Garg, een Ph.D. student werktuigbouwkunde en Saigopalakrishna Yerneni, een postdoctoraal medewerker in chemische technologie, ontwikkelde het proces en voerde studies uit onder leiding van Burak Ozdoganlar, Philip LeDuc en Phil Campbell, professoren in mechanische en biomedische technologie.

"Met behulp van ons 3D-ijsproces kunnen we ijssjablonen op microschaal maken met gladde wanden en vertakte structuren met vloeiende overgangen. Deze kunnen vervolgens worden gebruikt om onderdelen op microschaal te fabriceren met goed gedefinieerde interne holtes", zegt Garg.

Als de meest voorkomende stof op het aardoppervlak en de primaire bouwsteen van elk levend organisme, is water buitengewoon geschikt voor gebruik in bio-engineeringtoepassingen. De eenvoudige en snelle faseovergang van water naar ijs biedt spannende mogelijkheden om water als milieuvriendelijk constructiemateriaal te gebruiken.

"Het wordt niet biocompatibeler dan water", zei Garg.

Het team gebruikt de geprinte ijsstructuren als opofferingssjablonen voor "reverse molding" of inside-out 3D-printen. De ijsstructuren worden ondergedompeld in de vloeibare of gelvorm van een gekoeld structureel materiaal, zoals hars. Nadat het materiaal is uitgehard of uitgehard, wordt het water verwijderd. Voor dit doel kan het ijs worden gesmolten om het water te evacueren. Als alternatief kan het ijs worden gesublimeerd door het om te zetten in waterdamp zonder het in vloeibaar water te veranderen. Dit vermogen om het ijs gemakkelijk te sublimeren zorgt voor een gemakkelijke en "zachte" verwijdering na het gieten en stollen van het omringende structurele materiaal.

Een 3D-printsysteem met hoge resolutie wordt gebruikt om waterdruppels op een -35 ^o C op maat gemaakt temperatuurgecontroleerd platform dat het water snel in ijs verandert. Door de uitwerpfrequentie van de waterdruppels te moduleren en te synchroniseren met bewegingen van het podium, maakt het nieuwe proces het printen van vertakte geometrieën met gladde oppervlakken en continue variaties in diameter met vloeiende overgangen mogelijk.

De onderzoekers demonstreren dit door meerdere complexe ijsgeometrieën te printen, zoals een boom, een helix rond een paal en zelfs een anderhalve millimeter hoog octopusbeeldje. De snelle faseverandering van het water en de sterkte van het ijs maakten freeform 3D-printen van ijsstructuren mogelijk zonder tijdrovende laag-voor-laag printen of ondersteunende structuren.

Experimentele studies werden uitgevoerd om het afdrukpad, de bewegingsfasesnelheid en druppelfrequenties te bepalen om op reproduceerbare wijze gladde ijsstructuren te fabriceren met rechte, hellende, vertakte en hiërarchische geometrieën.

"Het was een uitdaging om zoveel parameters te beheersen", legt Garg uit. "We zijn gaandeweg opgebouwd in complexiteit."

"Dit is een geweldige prestatie die opwindende vooruitgang zal opleveren", aldus Ozdoganlar. "Wij geloven dat deze aanpak een enorm potentieel heeft om een ​​revolutie teweeg te brengen in weefseltechnologie en andere gebieden, waar miniatuurstructuren met complexe kanalen vereist zijn, zoals voor microfluïdica en zachte robotica."

Faculteitsonderzoekers van Carnegie Mellon werken vaak samen in interdisciplinaire teams om dergelijke technische en biologische uitdagingen op te lossen.

"Een van de prachtige onderdelen van Carnegie Mellon is het samenbrengen van mensen uit veel verschillende disciplines om nieuwe benaderingen te ontwikkelen en problemen op unieke nieuwe manieren op te lossen, en dat is precies wat hier gebeurde om deze opwindende bevindingen te ontwikkelen," zei 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. + Verder verkennen

Using colloidal nanodiscs for 3D bioprinting tissues and tissue models