L'impression de forme libre permet aux chercheurs de créer des structures complexes, comme ce modèle de coeur, qui ne pourrait pas être réalisé avec l'impression 3-D couche par couche traditionnelle. Les structures pourraient être utilisées comme échafaudages pour l'ingénierie tissulaire ou la fabrication de dispositifs. Crédit :Travis Ross, Institut Beckman
Les ingénieurs de l'Université de l'Illinois ont construit une imprimante 3D qui offre une solution idéale pour créer des structures détaillées que les imprimantes 3D commerciales ne peuvent pas :plutôt qu'une coque solide couche sur couche, il produit un délicat réseau de minces rubans d'isomalt durci, le type d'alcool de sucre utilisé pour faire des pastilles pour la gorge.
L'hydrosoluble, les structures de sucre vitreux biodégradables ont de multiples applications en génie biomédical, la recherche sur le cancer et la fabrication de dispositifs.
"C'est un excellent moyen de créer des formes autour desquelles nous pouvons modeler des matériaux mous ou faire pousser des cellules et des tissus, puis l'échafaud se dissout, " dit Rohit Bhargava, professeur de bio-ingénierie et directeur du Cancer Center de l'Illinois. "Par exemple, une application possible consiste à cultiver des tissus ou à étudier des tumeurs en laboratoire. Les cultures cellulaires sont généralement effectuées sur des boîtes plates. Cela nous donne quelques caractéristiques des cellules, mais ce n'est pas une façon très dynamique de voir comment un système fonctionne réellement dans le corps. Dans le corps, il y a des formes bien définies, et la forme et la fonction sont très étroitement liées."
Dans un article publié dans la revue Additive Manufacturing, le groupe de recherche a décrit les matériaux et la mécanique de l'impression isomalt de forme libre. La forme libre signifie que lorsque la buse se déplace dans l'espace, le matériau fondu durcit, laissant une structure solide derrière – comme dessiner dans les airs.
le professeur de l'Illinois Rohit Bhargava, la gauche, et Ph.D. Le diplômé Matthew Gelber a développé une imprimante 3D de forme libre qui peut créer des échafaudages à partir de sucre pour des applications d'ingénierie et de fabrication de tissus. Crédit :Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
D'autres types d'impression de sucre ont déjà été explorés, mais avez des problèmes de combustion ou de cristallisation du sucre, dit Matthew Gelber, le premier auteur de l'article qui a récemment obtenu un doctorat du groupe de Bhargava.
L'équipe de l'Illinois a découvert que l'isomalt d'alcool de sucre pouvait fonctionner pour les applications d'impression et était moins sujet à la combustion ou à la cristallisation. Ensuite, ils ont dû construire une imprimante qui aurait la bonne combinaison de détails mécaniques pour imprimer des structures d'isomalt stables - la bonne température, pression pour l'extruder de la buse, diamètre de la buse, et la vitesse pour le déplacer afin qu'il s'imprime en douceur, mais qu'il durcisse ensuite en une structure stable.
« Après les matériaux et la mécanique, le troisième volet était l'informatique, " Gelber a dit. " Vous avez une conception d'une chose que vous voulez faire; comment dire à l'imprimeur de le faire ? Comment trouvez-vous la séquence pour imprimer tous ces filaments qui s'entrecroisent afin qu'ils ne s'effondrent pas ? »
La machine imprime sous forme libre, le sucre fondu durcissant dans l'air pendant l'impression. Crédit :Matthieu Gelber
Les chercheurs de l'Illinois se sont associés à Greg Hurst de Wolfram Research à Champaign pour créer un algorithme permettant de concevoir des échafaudages et de cartographier les voies d'impression.
Un avantage de telles structures de forme libre est leur capacité à fabriquer des tubes minces avec des sections transversales circulaires, quelque chose d'impossible avec l'impression 3D polymère classique, dit Bhargava. Quand le sucre se dissout, il laisse une série de tubes et de tunnels cylindriques connectés qui peuvent être utilisés comme des vaisseaux sanguins pour transporter des nutriments dans les tissus ou pour créer des canaux dans des dispositifs microfluidiques.
Un lapin imprimé en 3D fait de sucre isomalt mélangé à un colorant rouge brillant utilisé en imagerie biomédicale. Crédit :Troy Comi
Un autre avantage est la possibilité de contrôler avec précision les propriétés mécaniques de chaque partie de la structure en modifiant légèrement les paramètres de l'imprimante.
"Par exemple, nous avons imprimé un lapin. Nous pourrions, en principe, changer les propriétés mécaniques de la queue du lapin pour qu'elles soient différentes du dos du lapin, et pourtant être différent des oreilles, " dit Bhargava. " C'est très important biologiquement. En impression couche par couche, vous avez le même matériel et vous déposez le même montant, il est donc très difficile d'ajuster les propriétés mécaniques."
Le groupe de Bhargava utilise déjà les échafaudages dans une variété de dispositifs microfluidiques et de cultures cellulaires, et il travaille à développer un revêtement pour les échafaudages afin de contrôler la vitesse à laquelle ils se dissolvent. L'article sur la fabrication additive fait partie d'une série de publications basées sur le travail de thèse de Gelber qui détaille comment construire l'imprimante et les algorithmes de planification nécessaires à son fonctionnement, car les chercheurs espèrent que d'autres pourront utiliser leurs modèles pour construire des imprimantes et explorer diverses applications pour les structures d'isomalt.
"Cette imprimante est un exemple d'ingénierie qui a des implications à long terme pour la recherche biologique, " a déclaré Bhargava. " Il s'agit d'une ingénierie fondamentale qui s'associe à la science des matériaux et à l'informatique pour créer un dispositif utile pour les applications biomédicales. "
