Los grandes avances científicos a menudo requieren inventos a la escala más pequeña. Los avances en la ingeniería de tejidos que pueden reemplazar corazones y pulmones requerirán la fabricación de tejidos artificiales que permitan el flujo de sangre a través de pasajes que no son más gruesos que un mechón de cabello. De manera similar, los dispositivos softbotic (soft-robot) en miniatura que interactúan físicamente con los humanos de manera segura y cómoda requerirán la fabricación de componentes con redes complejas de pequeños canales de flujo de líquido y aire.

Los avances en la impresión 3D están haciendo posible producir estructuras tan pequeñas. Pero para aquellas aplicaciones que requieren canales internos muy pequeños y uniformes en geometrías complejas específicas, los desafíos continúan. La impresión 3D de estas geometrías mediante procesos tradicionales requiere el uso de estructuras de soporte que son difíciles de quitar después de la impresión. La impresión de estos modelos utilizando métodos basados ​​en capas a alta resolución lleva mucho tiempo y compromete la precisión geométrica.

Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon han desarrollado un método de fabricación reproducible de alta velocidad que da la vuelta al proceso de impresión 3D. Desarrollaron un enfoque para las estructuras de hielo impresas en 3D que se pueden usar para crear plantillas de sacrificio que luego forman los conductos y otras características abiertas dentro de las piezas fabricadas.

Akash Garg, un Ph.D. estudiante de ingeniería mecánica y Saigopalakrishna Yerneni, asociada posdoctoral en ingeniería química, desarrolló el proceso y realizó estudios bajo la dirección de Burak Ozdoganlar, Philip LeDuc y Phil Campbell, profesores de ingeniería mecánica y biomédica.

"Usando nuestro proceso de hielo 3D, podemos fabricar plantillas de hielo a microescala con paredes lisas y estructuras ramificadas con transiciones suaves. Posteriormente, se pueden usar para fabricar piezas a microescala con vacíos internos bien definidos", dijo Garg.

Como la sustancia más abundante en la superficie de la Tierra y el bloque de construcción principal de cualquier organismo vivo, el agua es excepcionalmente adecuada para su uso en aplicaciones de bioingeniería. La transición de fase simple y rápida del agua al hielo ofrece interesantes oportunidades para utilizar el agua como material estructural respetuoso con el medio ambiente.

"No hay nada más biocompatible que el agua", dijo Garg.

El equipo utiliza las estructuras de hielo impresas como plantillas de sacrificio para el "moldeo inverso" o la impresión 3D de adentro hacia afuera. Las estructuras de hielo se sumergen en forma de líquido o gel de un material estructural enfriado, como la resina. Una vez que el material fragua o se cura, se elimina el agua. Para ello, se puede derretir el hielo para evacuar el agua. Alternativamente, el hielo se puede sublimar convirtiéndolo en vapor de agua sin convertirlo en agua líquida. Esta capacidad de sublimar fácilmente el hielo permite una eliminación fácil y "suave" después de colar y solidificar el material estructural circundante.

Se utiliza un sistema de impresión 3D de alta resolución para depositar gotas de agua en un -35 ^o C plataforma de temperatura controlada hecha a la medida que transforma rápidamente el agua en hielo. Al modular la frecuencia de eyección de las gotas de agua y sincronizarla con los movimientos del escenario, el nuevo proceso permite imprimir geometrías ramificadas con superficies lisas y variaciones continuas de diámetro con transiciones suaves.

Los investigadores demuestran esto mediante la impresión de múltiples geometrías de hielo complejas, como un árbol, una hélice alrededor de un poste e incluso una figura de pulpo de un milímetro y medio de altura. El rápido cambio de fase del agua y la fuerza del hielo permitieron la impresión 3D de forma libre de estructuras de hielo sin necesidad de una impresión capa por capa o estructuras de soporte que consume mucho tiempo.

Se realizaron estudios experimentales para determinar la ruta de impresión, la velocidad de la etapa de movimiento y las frecuencias de las gotas para fabricar de forma reproducible estructuras de hielo lisas con geometrías rectas, inclinadas, ramificadas y jerárquicas.

"Controlar tantos parámetros fue un desafío", explicó Garg. "Gradualmente aumentamos la complejidad".

"Este es un logro asombroso que traerá avances emocionantes", comentó Ozdoganlar. "Creemos que este enfoque tiene un enorme potencial para revolucionar la ingeniería de tejidos y otros campos, donde se exigen estructuras en miniatura con canales complejos, como microfluidos y robótica blanda".

Los investigadores de la facultad en Carnegie Mellon con frecuencia trabajan juntos en equipos interdisciplinarios para resolver tales desafíos biológicos y de ingeniería.

"Una de las partes maravillosas de Carnegie Mellon es reunir a personas de muchas disciplinas diferentes para desarrollar nuevos enfoques y resolver problemas de formas nuevas y únicas, que es exactamente lo que ocurrió aquí para desarrollar estos emocionantes hallazgos", dijo 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. + Explora más

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