Un nuovo processo per la stampa 3D su microscala crea particelle di quasi ogni forma per applicazioni in medicina, produzione, ricerca e altro ancora, al ritmo di fino a 1 milione di particelle al giorno
Le particelle microscopiche stampate in 3D, così piccole che a occhio nudo sembrano polvere, trovano applicazioni nella somministrazione di farmaci e vaccini, nella microelettronica, nella microfluidica e negli abrasivi per produzioni complesse. Tuttavia, la necessità di un coordinamento preciso tra l'erogazione della luce, il movimento del palco e le proprietà della resina rende impegnativa la fabbricazione scalabile di tali particelle su microscala personalizzate. Ora, i ricercatori della Stanford University hanno introdotto una tecnica di elaborazione più efficiente in grado di stampare fino a 1 milione di particelle su microscala altamente dettagliate e personalizzabili al giorno.
«Ora possiamo creare forme molto più complesse fino alla scala microscopica, a velocità che non sono state mostrate in precedenza per la fabbricazione di particelle, e da una vasta gamma di materiali», ha affermato il dottor Jason Kronenfeld (1), dottorando presso il laboratorio DeSimone (2) di Stanford e autore principale dell'articolo che descrive in dettaglio questo processo, pubblicato su Nature (3).
Questo lavoro si basa su una tecnica di stampa nota come produzione continua di interfaccia liquida, o CLIP (continuous liquid interface production), introdotta nel 2015 (4) da DeSimone e colleghi. CLIP utilizza la luce UV, proiettata a fette, per polimerizzare rapidamente la resina nella forma desiderata. La tecnica si basa su una finestra permeabile all'ossigeno sopra il proiettore di luce UV. Ciò crea una "zona morta" che impedisce alla resina liquida di polimerizzare e aderire alla finestra. Di conseguenza, le caratteristiche delicate possono essere polimerizzate senza strappare ogni strato da una finestra, con conseguente stampa delle particelle più rapida.
«L'uso della luce per fabbricare oggetti senza stampi apre un orizzonte completamente nuovo nel mondo delle particelle», ha affermato il dottor Joseph M. DeSimone (5), professore di medicina traslazionale Sanjiv Sam Gambhir presso la Stanford Medicine e autore corrispondente dell'articolo. «E pensiamo che farlo in modo scalabile offra opportunità per l'utilizzo di queste particelle per guidare le industrie del futuro. Siamo entusiasti di dove ciò potrà portare e di dove altri potranno utilizzare queste idee per portare avanti le proprie aspirazioni».
Arrotolare per arrotolare
Il processo che questi ricercatori hanno inventato per produrre in serie particelle dalla forma unica, più piccole della larghezza di un capello umano, ricorda una catena di montaggio. Si inizia con una pellicola che viene accuratamente tensionata e poi inviata alla stampante CLIP. Nella stampante, centinaia di forme vengono stampate contemporaneamente sulla pellicola e poi la catena di montaggio si muove per lavare, polimerizzare e rimuovere le forme: passaggi che possono tutti essere personalizzati in base alla forma e al materiale coinvolto. Alla fine, il film vuoto viene riavvolto, dando all'intero processo il nome roll-to-roll CLIP, o r2rCLIP. Prima di r2rCLIP, un lotto di particelle stampate avrebbe dovuto essere elaborato manualmente, un processo lento e ad alta intensità di manodopera. L'automazione di r2rCLIP consente ora tassi di fabbricazione senza precedenti fino a 1 milione di particelle al giorno.
Se questa sembra una forma familiare per la produzione, è intenzionale.
«Non compri cose che non puoi produrre», ha detto DeSimone (6), che è anche professore di ingegneria chimica alla Facoltà di Ingegneria. «Gli strumenti utilizzati dalla maggior parte dei ricercatori sono strumenti per realizzare prototipi e banchi di prova e per dimostrare punti importanti. Il mio laboratorio si occupa di scienza della produzione traslazionale: sviluppiamo strumenti che consentono la scalabilità. Questo è uno dei grandi esempi di ciò che questa attenzione ha significato per noi».
Ci sono dei compromessi nella stampa 3D tra risoluzione e velocità (7). Ad esempio, altri processi di stampa 3D possono stampare molto più piccoli – su scala nanometrica – ma sono più lenti. E, naturalmente, la stampa 3D macroscopica ha già preso piede (letteralmente) nella produzione di massa, sotto forma di scarpe, articoli per la casa, parti di macchine, caschi da football, protesi dentarie, apparecchi acustici e altro ancora. Questo lavoro affronta le opportunità tra questi mondi.
«Stiamo cercando un equilibrio preciso tra velocità e risoluzione», ha affermato il dottor Kronenfeld. «Il nostro approccio è particolarmente in grado di produrre risultati ad alta risoluzione preservando il ritmo di fabbricazione necessario per soddisfare i volumi di produzione di particelle che gli esperti considerano essenziali per varie applicazioni. Le tecniche con potenziale impatto traslazionale devono essere facilmente adattabili dalla scala del laboratorio di ricerca a quella della produzione industriale».
Duro e morbido
I ricercatori sperano che il processo r2rCLIP veda un'ampia adozione da parte di altri ricercatori e dell'industria. Oltre a ciò, DeSimone ritiene che la stampa 3D come campo si stia rapidamente evolvendo oltre le domande sul processo e verso le ambizioni sulle possibilità.
«r2rCLIP è una tecnologia fondamentale», ha affermato il dottor Joseph M. DeSimone. «Ma credo che ora stiamo entrando in un mondo incentrato sui prodotti 3D in sé più che sul processo. Questi processi stanno diventando chiaramente preziosi e utili. E ora la domanda è: quali sono le applicazioni di alto valore?»
Da parte loro, i ricercatori hanno già sperimentato la produzione di particelle sia dure che morbide, fatte di ceramica e di idrogel. Il primo potrebbe vedere applicazioni nella produzione microelettronica e il secondo nella somministrazione di farmaci nel corpo.
«Esiste una vasta gamma di applicazioni e stiamo appena iniziando a esplorarle», ha affermato la dottoressa Maria Theresa Dulay (8), ricercatrice senior presso il laboratorio DeSimone e coautrice dell'articolo. «È davvero straordinario il punto in cui ci troviamo con questa tecnica».
Altri coautori sono Lukas Rother, che era studente in visita al master al momento di questo lavoro, e Max Saccone, uno studioso post-dottorato in ingegneria chimica e radiologia. DeSimone è anche professore, per gentile concessione, di chimica presso la Scuola di Lettere e Scienze, di scienza dei materiali e ingegneria presso la Scuola di Ingegneria e di operazioni, informazione e tecnologia presso la Graduate School of Business. È membro della Stanford Bio-X, della Wu Tsai Human Performance Alliance e dello Stanford Cancer Institute, nonché membro della facoltà del Sarafan ChEM-H, co-direttore del Canary Center presso la Stanford for Cancer Early Detection e fondatore della facoltà. direttore del Center for STEMM Mentorship a Stanford.Questa ricerca è stata finanziata in parte dalla Bill & Melinda Gates Foundation e dal National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program. Parte di questo lavoro è stato eseguito presso le strutture condivise Nano di Stanford, supportate dalla National Science Foundation.
Riferimenti:
(1) Jason Kronenfeld
Descrizione foto: Il logo del laboratorio DeSimone stampato in 3D, caratterizzato da una geometria buckyball, dimostra la capacità del sistema r2rCLIP di produrre forme complesse e non modellabili con caratteristiche su scala micron. - Credit: DeSimone Research Group, SEM courtesy of Stanford Nano Shared Facilities.