Modulazione su richiesta di elastomeri stampati in 3D usando inclusioni di goccioline programmabili dalla Microfluidica

I RICERCATORI SVILUPPANO UNA TECNICA DI STAMPA 3D BASATA SU GOCCIOLINE USANDO LA MICROFLUIDICA

I ricercatori dell’Università della California, Davis (UC Davis) hanno pubblicato un documento che descrive in dettaglio un nuovo approccio alla stampa 3D usando la microfluidica, guidato dal professore di ingegneria chimica Jiandi Wan.

La nuova tecnica utilizza un sistema microfluidico multifase basato su goccioline per stampare in modo efficiente materiali flessibili finemente sintonizzati in 3D. Consente all’utente di manipolare la composizione e le proprietà dell’inchiostro estruso in tempo reale, consentendo la realizzazione di strutture diverse e funzionali con composizioni e proprietà diverse. I ricercatori vedono potenziali applicazioni per la tecnologia nella robotica leggera, nell’ingegneria dei tessuti e nella tecnologia indossabile.

I ricercatori iniziano spiegando che mentre la tecnologia di stampa 3D può mirare a “variare senza soluzione di continuità composizione e proprietà funzionali nei costrutti stampati. La maggior parte degli inchiostri utilizzati per la stampa basata sull’estrusione, tuttavia, sono staticamente compositivi e gli approcci disponibili per la regolazione dinamica della composizione dell’inchiostro rimangono pochi. “

Infatti, con la tradizionale tecnologia di stampa 3D basata sull’estrusione, il materiale viene spinto attraverso un ugello e aggiunto ripetutamente alla struttura, strato per strato, fino a quando il prodotto non è completo. Sebbene sia un processo efficiente ed economico, rende difficile stampare strutture composte da più di un materiale e ottenere la giusta quantità di morbidezza può essere un processo impegnativo.

Pertanto, il gruppo di Wan ha cercato di creare un approccio per la stampa 3D basata sull’estrusione che consentisse la modulazione degli inchiostri estrusi nel punto di stampa, utilizzando inclusioni di goccioline. I ricercatori hanno notato che l’ugello utilizzato nelle stampanti 3D a base di estrusione è simile ai dispositivi microfluidici in vetro capillare che il team aveva studiato. Questi dispositivi utilizzano più ugelli posizionati l’uno nell’altro, rendendosi conto che potrebbe essere adattato per la stampa 3D, da utilizzare come testina di stampa: “La maggior parte delle stampanti 3D basate su estrusione utilizzano ugelli molto semplici e poiché abbiamo già sviluppato queste microfluidiche in vetro, abbiamo pensato, ‘perché non applicarlo alla stampa 3D?’ ”spiega Wan.

Il team di Wan ha sviluppato un dispositivo che utilizza un sistema di gocciolamento multifase per incapsulare goccioline di una soluzione acquosa di polietilenglicole diacrilato (PEGDA) all’interno di un comune polimero organico a base di silicio chiamato polidimetilsilossano (PDMS). Il PDMS scorre attorno a un gocciolatore, creando minuscole goccioline di PEGDA che vengono quindi uniformemente inserite nel PDMS mentre entrambi i materiali scorrono sulla struttura stampata in 3D man mano che viene fabbricata.

La struttura finale è descritta come un “labirinto di Pac-Man” con piccoli punti di goccioline PEGDA circondate da PDMS. Dopo che il PEGDA si diffonde dalle goccioline, interferisce con il processo di polimerizzazione del PDMS, facendo ammorbidire il materiale e rendendo la struttura più flessibile.

Il team di ricerca di Wan ha anche dimostrato che il metodo di stampa 3D basato su goccioline può essere utilizzato per produrre costrutti porosi flessibili con particelle di polimero incapsulato e goccioline di metallo. Inoltre, la flessibilità della struttura può essere modificata modificando la dimensione delle gocce e la portata. Ciò offre ai ricercatori una vasta gamma di scelte per progettare la loro struttura del materiale e variare la flessibilità per l’applicazione prevista, in un modo difficile con i metodi standard basati su ugelli.

“Le caratteristiche meccaniche dei costrutti stampati in 3D possono essere regolate in situ variando la distribuzione spaziale delle goccioline, comprese le goccioline di metallo acquoso e liquido”, spiegano gli autori nel documento.

La microfluidica si riferisce generalmente alla tecnologia di manipolazione dei fluidi nei canali con dimensioni di decine di micrometri. La stampa 3D basata sulla microfluidica non è un concetto nuovo, con vari sistemi e processi che utilizzano la tecnologia. Infatti, nel 2019 i ricercatori europei hanno prodotto una recensione sulle applicazioni microfluidiche di stampa 3D , che affermano che consentirà in definitiva “la creazione di una nuova generazione di dispositivi sempre più intelligenti, reattivi e autonomi, in grado di rilevare e agire sul loro ambiente in modi complessi e con un intervento umano ridotto. ”

Ad esempio, il Soft Fluidics Lab dell’Università di Tecnologia e Design di Singapore (SUTD) ha sviluppato un metodo semplice per stampare dispositivi microfluidici 3D integrati con gestione dei fluidi e componenti funzionali nell’agosto 2019.

Inoltre, a marzo 2018, i ricercatori del New York Genome Center (NYGC) e della New York University (NYU) hanno creato uno strumento di controllo microfluidico a goccioline stampato in 3D a letto aperto . Il dispositivo rappresenta un metodo economico e accessibile per identificare e prendere di mira le cellule corrette per trattare malattie come l’artrite reumatoide (RA).

Lo studio discusso in questo articolo, ” Modulazione su richiesta di elastomeri stampati in 3D usando inclusioni di goccioline programmabili “, è pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti (PNAS).

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