La impresión de forma libre permite a los investigadores crear estructuras intrincadas, como este modelo de corazón, que no se podría hacer con la impresión 3D tradicional capa por capa. Las estructuras podrían usarse como andamios para la ingeniería de tejidos o la fabricación de dispositivos. Crédito:Travis Ross, Instituto Beckman
Los ingenieros de la Universidad de Illinois construyeron una impresora 3-D que ofrece una solución atractiva para crear estructuras detalladas que las impresoras 3D comerciales no pueden:en lugar de una carcasa sólida capa sobre capa, produce una delicada red de finas cintas de isomalt endurecido, el tipo de alcohol de azúcar que se usa para hacer pastillas para la garganta.
El soluble en agua, Las estructuras de azúcar vidrioso biodegradable tienen múltiples aplicaciones en ingeniería biomédica, investigación del cáncer y fabricación de dispositivos.
"Esta es una excelente manera de crear formas alrededor de las cuales podemos modelar materiales blandos o hacer crecer células y tejidos, luego el cadalso se disuelve, "dijo Rohit Bhargava, profesor de bioingeniería y director del Cancer Center en Illinois. "Por ejemplo, una posible aplicación es cultivar tejido o estudiar tumores en el laboratorio. Los cultivos celulares generalmente se realizan en placas planas. Eso nos da algunas características de las células, pero no es una forma muy dinámica de ver cómo funciona realmente un sistema en el cuerpo. En el cuerpo, hay formas bien definidas, y la forma y la función están estrechamente relacionadas ".
En un artículo publicado en la revista Additive Manufacturing, el grupo de investigación describió los materiales y la mecánica de la impresión isomalt de forma libre. Forma libre significa que a medida que la boquilla se mueve por el espacio, el material fundido se endurece, dejando atrás una estructura robusta, como un dibujo en el aire.
El profesor de Illinois Rohit Bhargava, izquierda, y Ph.D. El graduado Matthew Gelber desarrolló una impresora 3D de forma libre que puede crear andamios con azúcar para aplicaciones de fabricación e ingeniería de tejidos. Crédito:Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Se han explorado previamente otros tipos de impresión de azúcar, pero tiene problemas con la quema o cristalización del azúcar, dijo Matthew Gelber, el primer autor del artículo que se graduó recientemente del grupo de Bhargava con un doctorado.
El equipo de Illinois descubrió que la isomalta de alcohol de azúcar podría funcionar para aplicaciones de impresión y es menos propensa a quemarse o cristalizarse. Luego tuvieron que construir una impresora que tuviera la combinación correcta de detalles mecánicos para imprimir estructuras isomalt estables:la temperatura adecuada, presión para sacarlo de la boquilla, diámetro de la boquilla, y velocidad para moverlo de modo que se imprima con suavidad pero luego se endurezca y forme una estructura estable.
"Después de los materiales y la mecánica, el tercer componente fue la informática, "Dijo Gelber." Tienes un diseño de una cosa que quieres hacer; ¿Cómo le dices a la impresora que lo haga? ¿Cómo averiguas la secuencia para imprimir todos estos filamentos que se cruzan para que no colapsen? "
La máquina imprime de forma libre, el azúcar derretido se endurece en el aire mientras se imprime. Crédito:Matthew Gelber
Los investigadores de Illinois se asociaron con Greg Hurst en Wolfram Research en Champaign para crear un algoritmo para diseñar andamios y trazar rutas de impresión.
Una ventaja que tienen estas estructuras de forma libre es su capacidad para hacer tubos delgados con secciones transversales circulares, algo que no es posible con la impresión tridimensional de polímeros convencional, Dijo Bhargava. Cuando el azúcar se disuelve, deja una serie de túneles y tubos cilíndricos conectados que pueden usarse como vasos sanguíneos para transportar nutrientes en el tejido o para crear canales en dispositivos microfluídicos.
Un conejito impreso en 3-D hecho de azúcar isomalt mezclado con un tinte rojo brillante utilizado en imágenes biomédicas. Crédito:Troy Comi
Otra ventaja es la capacidad de controlar con precisión las propiedades mecánicas de cada parte de la estructura realizando ligeros cambios en los parámetros de la impresora.
"Por ejemplo, imprimimos un conejito. Pudimos, en principio, cambiar las propiedades mecánicas de la cola del conejo para que sea diferente de la parte posterior del conejo, y sin embargo ser diferente a los oídos, "Bhargava dijo." Esto es muy importante biológicamente. En la impresión capa por capa, tienes el mismo material y estás depositando la misma cantidad, por lo que es muy difícil ajustar las propiedades mecánicas ".
El grupo de Bhargava ya está utilizando los andamios en una variedad de dispositivos de microfluidos y cultivos celulares, y está trabajando para desarrollar un revestimiento para los andamios a fin de controlar la rapidez con que se disuelven. El papel de Fabricación Aditiva es parte de una serie de publicaciones basadas en el trabajo de tesis de Gelber que detalla cómo construir la impresora y los algoritmos de planificación necesarios para operarla. ya que los investigadores esperan que otros puedan usar sus modelos para construir impresoras y explorar varias aplicaciones para estructuras isomalt.
"Esta impresora es un ejemplo de ingeniería que tiene implicaciones a largo plazo para la investigación biológica, ", Dijo Bhargava." Esta es la ingeniería fundamental que se une a la ciencia de los materiales y la informática para crear un dispositivo útil para aplicaciones biomédicas ".
