Логотип лаборатории DeSimone, напечатанный на 3D-принтере, с геометрией бакиболла демонстрирует способность системы r2rCLIP создавать сложные, не поддающиеся формованию формы с характеристиками микронного масштаба. Фото: DeSimone Research Group, SEM, любезно предоставлено Стэнфордским нано-центром общего пользования.
Новый процесс микромасштабной 3D-печати создает частицы практически любой формы для применения в медицине, производстве, исследованиях и т. д. — со скоростью до 1 миллиона частиц в день.
Микроскопические частицы, напечатанные на 3D-принтере, настолько малы, что невооруженным глазом кажутся пылью, находят применение в доставке лекарств и вакцин, микроэлектронике, микрофлюидике и абразивах для сложного производства. Однако необходимость точной координации между доставкой света, движением предметного столика и свойствами смолы затрудняет масштабируемое производство таких индивидуальных микрочастиц. Теперь исследователи из Стэнфордского университета внедрили более эффективную обработку техника который может печатать до 1 миллиона высокодетализированных и настраиваемых микрочастиц в день.
«Теперь мы можем создавать гораздо более сложные формы вплоть до микроскопического масштаба, со скоростями, которые ранее не были продемонстрированы при изготовлении частиц, и из широкого спектра материалов», — сказал Джейсон Кроненфельд, кандидат наук в лаборатории ДеСимоне в Стэнфорде и ведущий автор статьи, подробно описывающей этот процесс, опубликованной сегодня в Природа.
Эта работа основана на технологии печати, известной как непрерывное производство жидкостного интерфейса или CLIP. представлен в 2015 году Дезимоун и его коллеги. CLIP использует ультрафиолетовый свет, излучаемый кусочками, для быстрого отверждения смолы и придания ей желаемой формы. В основе этого метода лежит кислородопроницаемое окно над проектором ультрафиолетового излучения. Это создает «мертвую зону», которая предотвращает затвердевание и прилипание жидкой смолы к окну. В результате деликатные детали можно отверждать, не снимая каждый слой с окна, что приводит к более быстрой печати частиц.
«Использование света для изготовления объектов без форм открывает совершенно новые горизонты в мире частиц», — сказал Джозеф Дезимоун, профессор трансляционной медицины Санджив Сэм Гамбхир в Стэнфордском медицинском университете и автор статьи. «И мы думаем, что масштабируемость этого приведет к возможностям использования этих частиц для развития отраслей будущего. Мы воодушевлены тем, к чему это может привести и где другие смогут использовать эти идеи для достижения своих собственных устремлений».
Рулон за рулоном
Процесс, который эти исследователи изобрели для массового производства частиц уникальной формы размером меньше человеческого волоса, напоминает сборочный конвейер. Все начинается с того, что пленка тщательно натягивается и затем отправляется на принтер CLIP. На принтере на пленку одновременно печатаются сотни фигур, а затем сборочная линия движется вперед, промывая, закрепляя и удаляя формы — этапы, которые можно настроить в зависимости от используемой формы и материала. В конце пустая пленка снова сворачивается, что дает всему процессу название «roll-to-roll CLIP» или r2rCLIP. До появления r2rCLIP партию напечатанных частиц нужно было обрабатывать вручную, а это медленный и трудоемкий процесс. Автоматизация r2rCLIP теперь обеспечивает беспрецедентную производительность — до 1 миллиона частиц в день.
Если это звучит как знакомая форма производства, то это сделано намеренно.
«Вы не покупаете то, что не можете произвести», — сказал Дезимоун, который также является профессором химического машиностроения в Инженерной школе. «Инструменты, которые используют большинство исследователей, — это инструменты для создания прототипов и испытательных стендов, а также для доказательства важных моментов. Моя лаборатория занимается трансляционным производством: мы разрабатываем инструменты, обеспечивающие масштабирование. Это один из замечательных примеров того, что такое внимание означает для нас».
В 3D-печати есть компромиссы. разрешение против скорости. Например, другие процессы 3D-печати позволяют печатать гораздо меньшие размеры (в нанометровом масштабе), но они медленнее. И, конечно же, макроскопическая 3D-печать уже закрепилась (в буквальном смысле) в массовом производстве в виде обуви, товаров для дома, деталей машин, футбольных шлемов, зубных протезов, слуховых аппаратов и многого другого. Эта работа рассматривает возможности между этими мирами.
«Мы добиваемся точного баланса между скоростью и разрешением», — сказал Кроненфельд. «Наш подход позволяет получать результаты с высоким разрешением, сохраняя при этом темпы производства, необходимые для удовлетворения объемов производства частиц, которые эксперты считают необходимыми для различных приложений. Методы, обладающие потенциалом поступательного воздействия, должны быть реально адаптированы из масштаба исследовательской лаборатории в промышленное производство».
Твердый и мягкий
Исследователи надеются, что процесс r2rCLIP получит широкое распространение среди других исследователей и промышленности. Кроме того, Дезимоун считает, что 3D-печать как область быстро развивается, игнорируя вопросы о процессе и стремясь к амбициям относительно возможностей.
«r2rCLIP — это основополагающая технология», — сказал Дезимоун. «Но я верю, что сейчас мы вступаем в мир, ориентированный больше на сами 3D-продукты, чем на процесс. Эти процессы становятся явно ценными и полезными. А теперь вопрос: каковы наиболее ценные приложения?»
Со своей стороны, исследователи уже экспериментировали с получением как твердых, так и мягких частиц из керамики и гидрогелей. Первый может найти применение в производстве микроэлектроники, а второй — в доставке лекарств в организм.
«Существует широкий спектр применений, и мы только начинаем их изучать», — сказала Мария Дулей, старший научный сотрудник лаборатории Дезимоуна и соавтор статьи. «Это совершенно необычно, где мы находимся с этой техникой».
Ссылка: «3D-печать частиц конкретной формы с рулона на рулон» Джейсона М. Кроненфельда, Лукаса Ротера, Макса А. Сакконе, Марии Т. Дюлей и Джозефа М. Дезимоуна, 13 марта 2024 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-024-07061-4
Дополнительными соавторами являются Лукас Ротер, который на момент написания этой работы был приглашенным магистрантом, и Макс Сакконе, докторант в области химического машиностроения и радиологии. Дезимоун также является профессором химии в Школе гуманитарных и естественных наук, материаловедения и техники в Школе инженерии, а также операций, информации и технологий в Высшей школе бизнеса. Он является членом Stanford Bio-X, Альянса человеческой деятельности Ву Цай и Стэнфордского института рака, а также научным сотрудником Sarafan ChEM-H, содиректором Канарского центра раннего выявления рака в Стэнфорде и основателем факультета. директор Центра наставничества STEMM в Стэнфорде.
Это исследование частично финансировалось Фондом Билла и Мелинды Гейтс и Программой стипендий для аспирантов Национального научного фонда. Часть этой работы была выполнена в Стэнфордском комплексе совместного использования нанотехнологий при поддержке Национального научного фонда.