Metodo di stampa 3D tomografica e volumetrica per fabbricare dispositivi soft medical su misura per il paziente

I ricercatori dimostrano l’uso del metodo di stampa tridimensionale tomografica e volumetrica per dispositivi medici morbidi

Un trio di ricercatori  dell’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ha utilizzato un metodo di stampa 3D tomografica e volumetrica per superare i limiti che incidono sulla catena del processo e sulla cura del paziente derivanti dall’uso della fusione e della stampa 3D per fabbricare dispositivi soft medical su misura per il paziente . Il gruppo ha pubblicato un documento intitolato ” Volumetric 3D Printing of Elastomers by Tomographic Back-Projection “, che descrive in dettaglio i loro metodi. Il loro approccio volumetrico, basato sulla tomografia, è molto più rapido della tradizionale produzione additiva: sono stati in grado di stampare parti complesse, come un guscio per apparecchi acustici e un modello in miniatura di un’arteria polmonare, in meno di 30 secondi.

L’abstract dice: “La maggior parte dei metodi di produzione additiva come la modellazione con deposizione fusa, la fusione laser selettiva o la stereolitografia creano oggetti sequenzialmente uno strato alla volta. Questo tipo di processo impone limitazioni alle forme e ai materiali che possono essere stampati. Ad esempio, le strutture a sbalzo necessitano di supporti aggiuntivi durante la stampa e i materiali morbidi o elastici sono difficili da stampare poiché si deformano quando vengono aggiunti nuovi strati. Mentre la fusione può essere utilizzata invece per creare alcune parti elastiche, la libertà di progettazione è limitata perché le cavità o le valvole sono difficili da sformare. Qui usiamo un metodo di stampa 3D volumetrico basato su tomografia, in cui l’intero volume di una resina fotopolimerizzabile viene solidificato allo stesso tempo. Dimostriamo una stampa molto rapida (<30s) di una varietà di strutture complesse con acrilati e siliconi. ”
Concetto di produzione additiva volumetrica
Le scansioni di tomografia computerizzata (CT) hanno effettivamente ispirato la stampa 3D tomografica. Un algoritmo tomografico viene utilizzato per elaborare le proiezioni radiografiche di un oggetto del paziente, in modo che le immagini trasversali dell’oggetto scansionato possano essere ricostruite. Queste immagini rappresentano il modo in cui la dose di raggi X assorbita è distribuita all’interno dell’oggetto stesso. Fondamentalmente, il processo di stampa 3D tomografica può creare un oggetto solido all’interno del volume di un fotopolimero.

Per calcolare un insieme di proiezioni in cui la somma cumulativa è uguale alla distribuzione ottimale della dose, è necessario applicare un filtro Ram-Lak, o filatore di rampe, alle proiezioni Radon per creare retroproiezioni filtrate; il filtro quindi “compensa l’effetto sfocato intrinseco dovuto alle proiezioni”.

“Sei diodi laser da 405 nm, con una potenza nominale combinata di 6,4 W, sono collimati e combinati in un unico fascio con specchi ravvicinati”, hanno scritto i ricercatori sul loro set-up ottico.
Una volta che il fascio combinato viene accoppiato in una fibra ottica a nucleo quadrato, l’uscita della fibra viene quindi ingrandita e proiettata su un dispositivo micromirror digitale attraverso una lente asferica e una serie di lenti cilindriche ortogonali, che hanno lunghezze focali diverse per aiutare a regolare il raggio in l’area rettangolare del DMD.

“Per ottimizzare l’efficienza riflessa, il DMD nel nostro setup è fissato su un supporto rotazionale in modo tale che l’asse di rotazione del dispositivo corrisponda all’asse di inclinazione diagonale dei microspecchi. Quindi, abbiamo semplicemente ruotato il DMD fino a massimizzare la potenza nell’ordine principale riflesso “, hanno spiegato i ricercatori. “Nel nostro caso l’angolo di rotazione era approssimativamente di 7 °, ma in generale dipende dalla lunghezza d’onda precisa del laser, dal passo dei pixel della DMD e dall’angolo di inclinazione dei micromirri”.
Il team ha utilizzato un sistema 4f per l’immagine della superficie del DMD in una fiala di vetro cilindrica che contiene il fotopolimero. Un’apertura blocca gli ordini di diffrazione indesiderati, mentre una lente cilindrica concava vicino alla fiala corregge qualsiasi distorsione. Quindi, quando tutti i pixel nel DMD sono in uno stato “ON”, la potenza del raggio è di circa 1,6 watt.

Sartomer ha fornito i materiali per le formulazioni in resina e le loro proprietà tensili sono state misurate su una macchina di prova universale secondo gli standard ASTM.

“La nostra tecnica di produzione additiva volumetrica pone alcuni requisiti sulle resine stampabili, in particolare sulla loro viscosità, trasparenza e proprietà di dispersione”, hanno osservato i ricercatori.

“Per le resine A e U, la post-elaborazione è stata ottenuta filtrando il contenuto della fiala di fotopolimero per raccogliere la parte stampata e riciclare il contenuto di inchiostro non polimerizzato. La parte è stata ulteriormente pulita per 30 secondi in un bagno a ultrasuoni di alcol isopropilico, seguita da una fase di asciugatura di 10 minuti e una fase post-polimerizzazione di 3 minuti a 150 mW / cm2 con una sorgente di luce a LED da 405 nm. ”
I ricercatori sono stati in grado di utilizzare il loro processo di stampa 3D volumetrico per creare “parti con una buona qualità complessiva”.

Una cosa da notare: il metodo di stampa 3D volumetrica tomografica del team ha bisogno che gli schemi luminosi si propagino attraverso l’intero diametro del volume di costruzione. I ricercatori ritengono che ciò “limiterà la dimensione dell’oggetto stampabile con la stampa volumetrica tomografica poiché la quantità minima di fotoiniziatore necessaria per oggetti di grandi dimensioni si tradurrà in una scarsa conversione del polimero e in scarse proprietà meccaniche delle parti stampate”.

“In altre parole, le resine idonee per la produzione di additivi volumetrici dovrebbero avere una forte reattività e un basso assorbimento, che deve essere confrontato con i requisiti delle stampanti strato per strato in cui sia necessaria una forte reattività e un forte assorbimento di resine per ottenere -strati definiti “, hanno spiegato i ricercatori.
Poiché il loro metodo non richiede che l’oggetto si muova durante il processo di stampa 3D, le formulazioni di resina viscosa, basate su materiali come il silicone, possono effettivamente essere utilizzate per produrre complessi schemi vascolari.

Il team ha concluso: “Prevediamo che questo metodo consentirà la fabbricazione di parti morbide ed elastomeriche che non erano accessibili con altri metodi come la fusione o la produzione additiva strato per strato, consentendo una gamma di nuove applicazioni, ad esempio nella pianificazione chirurgica. ”
Co-autori del giornale sono Damien Loterie, Paul Delrot e Christophe Moser.

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