Las partículas microscópicas impresas en 3D, tan pequeñas que a simple vista parecen polvo, tienen aplicaciones en la administración de medicamentos y vacunas, microelectrónica, microfluidos y abrasivos para fabricación compleja. Sin embargo, la necesidad de una coordinación precisa entre la entrega de luz, el movimiento del escenario y las propiedades de la resina hace que la fabricación escalable de tales partículas a microescala personalizadas sea un desafío. Ahora, investigadores de la Universidad de Stanford han introducido una técnica de procesamiento más eficiente que puede imprimir hasta 1 millón de partículas a microescala altamente detalladas y personalizables por día.
"Ahora podemos crear formas mucho más complejas hasta la escala microscópica, a velocidades que no se han demostrado anteriormente en la fabricación de partículas, y a partir de una amplia gama de materiales", dijo Jason Kronenfeld, Ph.D. candidato en el laboratorio DeSimone en Stanford y autor principal del artículo que detalla este proceso, publicado hoy en Nature .
Este trabajo se basa en una técnica de impresión conocida como producción continua de interfaz líquida, o CLIP, introducida en 2015 por DeSimone y sus compañeros de trabajo. CLIP utiliza luz ultravioleta, proyectada en rodajas, para curar la resina rápidamente y darle la forma deseada. La técnica se basa en una ventana permeable al oxígeno situada encima del proyector de luz ultravioleta. Esto crea una "zona muerta" que evita que la resina líquida se cure y se adhiera a la ventana. Como resultado, las características delicadas se pueden curar sin arrancar cada capa de una ventana, lo que genera una impresión de partículas más rápida.
"El uso de la luz para fabricar objetos sin moldes abre un horizonte completamente nuevo en el mundo de las partículas", dijo Joseph DeSimone, profesor de Medicina Traslacional Sanjiv Sam Gambhir en Stanford Medicine y autor correspondiente del artículo. "Y creemos que hacerlo de manera escalable genera oportunidades para usar estas partículas para impulsar las industrias del futuro. Estamos entusiasmados de saber a dónde puede conducir esto y dónde otros pueden usar estas ideas para promover sus propias aspiraciones". P>
El proceso que estos investigadores inventaron para producir en masa partículas con formas únicas que son más pequeñas que el ancho de un cabello humano recuerda a una línea de montaje. Comienza con una película que se tensa cuidadosamente y luego se envía a la impresora CLIP. En la impresora, se imprimen cientos de formas a la vez en la película y luego la línea de ensamblaje avanza para lavar, curar y eliminar las formas, pasos que se pueden personalizar según la forma y el material involucrado.
Al final, la película vacía se vuelve a enrollar, dando a todo el proceso el nombre de CLIP rollo a rollo o r2rCLIP. Antes de r2rCLIP, un lote de partículas impresas debía procesarse manualmente, un proceso lento y que requería mucha mano de obra. La automatización de r2rCLIP ahora permite tasas de fabricación sin precedentes de hasta 1 millón de partículas por día.
Si esto le parece una forma familiar de fabricación, es intencional.
"No se compran cosas que no se pueden fabricar", dijo DeSimone, quien también es profesor de ingeniería química en la Escuela de Ingeniería. "Las herramientas que utilizan la mayoría de los investigadores son herramientas para crear prototipos y bancos de pruebas, y para demostrar puntos importantes. Mi laboratorio hace ciencia de fabricación traslacional:desarrollamos herramientas que permiten escalar. Este es uno de los grandes ejemplos de lo que ese enfoque ha significado para nosotros."
Existen compensaciones en la impresión 3D entre resolución y velocidad. Por ejemplo, otros procesos de impresión 3D pueden imprimir en tamaños mucho más pequeños (en la escala nanométrica), pero son más lentos. Y, por supuesto, la impresión 3D macroscópica ya se ha afianzado (literalmente) en la fabricación en masa, en forma de zapatos, artículos para el hogar, piezas de máquinas, cascos de fútbol, dentaduras postizas, audífonos y más. Este trabajo aborda las oportunidades entre esos mundos.
"Estamos buscando un equilibrio preciso entre velocidad y resolución", dijo Kronenfeld. "Nuestro enfoque es distintivamente capaz de producir resultados de alta resolución preservando al mismo tiempo el ritmo de fabricación requerido para cumplir con los volúmenes de producción de partículas que los expertos consideran esenciales para diversas aplicaciones. Las técnicas con potencial de impacto traslacional deben ser factiblemente adaptables desde la escala del laboratorio de investigación a la de producción industrial."
Los investigadores esperan que el proceso r2rCLIP sea ampliamente adoptado por otros investigadores y la industria. Más allá de eso, DeSimone cree que la impresión 3D como campo está evolucionando rápidamente más allá de las preguntas sobre el proceso y hacia ambiciones sobre las posibilidades.
"r2rCLIP es una tecnología fundamental", afirmó DeSimone. "Pero sí creo que ahora estamos entrando en un mundo centrado en los productos 3D en sí más que en el proceso. Estos procesos se están volviendo claramente valiosos y útiles. Y ahora la pregunta es:¿Cuáles son las aplicaciones de alto valor?" P>
Por su parte, los investigadores ya han experimentado con la producción de partículas duras y blandas, de cerámica y de hidrogeles. El primero podría tener aplicaciones en la fabricación de microelectrónica y el segundo en la administración de fármacos al cuerpo.
"Existe una amplia gama de aplicaciones y apenas estamos comenzando a explorarlas", dijo Maria Dulay, científica investigadora principal en el laboratorio DeSimone y coautora del artículo. "Es bastante extraordinario el punto en el que nos encontramos con esta técnica".
Más información: Jason M. Kronenfeld et al, Impresión 3D de alta resolución, rollo a rollo, de partículas de formas específicas, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07061-4
Proporcionado por la Universidad de Stanford
