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stampare il ghiaccio in 3D per aiutare la medicina

Sviluppato un metodo per la stampa 3D ad alta velocità di strutture di ghiaccio su microscala, servirà per applicazioni biomediche

 

Ricercatori della Carnegie Mellon di Pittsburgh, negli USA, hanno sviluppato un processo rivoluzionario di stampa 3D di minuscole strutture di ghiaccio per applicazioni nell’ingegneria biomedica, nella manifattura avanzata e possibilmente, anche nell’arte.

Le strutture di ghiaccio stampate in questo modo possono essere utilizzate per creare modelli che in seguito formeranno i condotti e altre caratteristiche aree ‘aperte’ all’interno di elementi fabbricati. 

Come funziona la stampa 3D di microelementi in ghiaccio

Un ugello a getto d’inchiostro piezoelettrico ad alta risoluzione viene utilizzato per depositare gocce d’acqua su una piattaforma a temperatura controllata di -35 ◦C che trasforma rapidamente l’acqua in ghiaccio.

Modulando la frequenza di espulsione delle gocce d’acqua e sincronizzandola con i movimenti della piattaforma, il nuovo processo consente di stampare geometrie ramificate con superfici lisce e continue variazioni di diametro con transizioni morbide, come possono essere quelle di alberi, eliche e persino figurine di un polpo alte soltanto 1 millimetro e mezzo. 

Alcuni esempi di geometrie complesse stampate imn ghiaccio: un ramo, un’elica, un polpo alto 1,5 mm

Il rapido cambiamento di fase dell’acqua e la forza del ghiaccio consentono la stampa 3D a forma libera di strutture di ghiaccio senza richiedere la stampa strato per strato, come siamo abituati a vedere, o strutture di supporto alla stampa, che richiedono molto tempo. 

Le microstruttura di ghiaccio stampate in questo modo sono utilizzate come modelli sacrificali per il “reverse moulding” (stampa 3D al rovescio): vengono immerse nel liquido o nel gel di un materiale strutturale, come ad esempio la resina. Una volta che il materiale si è indurito, l’acqua – cioè il ghiaccio delle microstrutture stampate che si saranno sciolte – viene rimossa. In questo modo, la microstruttura stampata in ghiaccio sarà servita a prototipare condotti, canali e altre aree ‘vuote’ all’interno di strutture ‘piene’.

I microcanali stampati in ghiaccio possano aiutare a produrre modelli fisici che prevedono vuoti assolutamente accurati

Un esempio? In biomedicina, potrebbe aiutare a simulare gli alveoli polmonari, o un corpo venoso.

Le applicazioni: robotica morbida e biomedicina

I progressi nell’ingegneria dei tessuti che ambiscono a sostituire cuore e polmoni richiederanno la fabbricazione di tessuti artificiali che consentano il flusso del sangue attraverso passaggi che non siano più spessi di una ciocca di capelli.

Allo stesso modo, i dispositivi in ​​miniatura “softbotic” (soft-robot) che interagiscono fisicamente con gli esseri umani in modo sicuro e confortevole richiederanno la produzione di componenti con reti complesse di piccoli canali di flusso d’aria e liquido.

La stampa 3D in ghiaccio permette di obbedire a entrambe queste esigenze

I vantaggi rispetto alla stampa 3D tradizionale

I progressi nella stampa 3D rendono ormai possibile la produzione di strutture davvero minuscole ma restano aperte le sfide relative alla realizzazione di canali interni molto piccoli, lisci, in geometrie complesse specifiche. La stampa 3D tradizionale non riesce a raggiungere il livello di definizione che sarebbe necessario; inoltre, può richiedere molto tempo e produrre comunque risultati non perfettamente accurati.

Utilizzando il processo di ghiaccio 3D è possibile fabbricare modelli di ghiaccio in microscala con pareti lisce e strutture ramificate, dai raccordi morbidi e dalle forme fluide e complesse, che possono servire perfettamente lo scopo: fabbricare oggetti molto piccoli con vuoti interni ben definiti.

Peraltro, essendo l’acqua la sostanza più abbondante sulla superficie terrestre e il principale elemento costitutivo di qualsiasi organismo vivente, è eccezionalmente adatta per l’uso in applicazioni di bioingegneria. La semplice e rapida transizione di fase dall’acqua al ghiaccio offre entusiasmanti opportunità per l’utilizzo dell’acqua come materiale strutturale rispettoso dell’ambiente.

I tempi di sviluppo e di arrivo sul mercato

L’adozione del processo di stampa 3D del ghiaccio per applicazioni ingegneristiche – come, ad esempio, la creazione di canali pneumatici per la robotica morbida – potrebbe essere disponibile in appena un anno. Per gli usi clinici in ingegneria tissutale, invece, i tempi saranno necessariamente più lunghi. 

fonte: Engineering.cmu.edu – Carnegie Mellon University

immagini: Engineering.cmu.edu – Carnegie Mellon University


 

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