Les grandes percées scientifiques nécessitent souvent des inventions à la plus petite échelle. Les progrès de l'ingénierie tissulaire qui peuvent remplacer les cœurs et les poumons nécessiteront la fabrication de tissus artificiels permettant la circulation du sang à travers des passages qui ne sont pas plus épais qu'une mèche de cheveux. De même, les dispositifs miniatures softbotic (soft-robot) qui interagissent physiquement avec les humains en toute sécurité et confortablement exigeront la fabrication de composants avec des réseaux complexes de petits canaux de liquide et de flux d'air.

Les progrès de l'impression 3D permettent de produire de telles structures minuscules. Mais pour les applications qui nécessitent des canaux internes très petits et lisses dans des géométries complexes spécifiques, des défis subsistent. L'impression 3D de ces géométries par des procédés traditionnels nécessite l'utilisation de structures de support difficilement démontables après impression. L'impression de ces modèles à l'aide de méthodes basées sur les couches à haute résolution prend beaucoup de temps et compromet la précision géométrique.

Des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon ont mis au point une méthode de fabrication reproductible à grande vitesse qui transforme le processus d'impression 3D "à l'envers". Ils ont développé une approche des structures de glace imprimées en 3D qui peuvent être utilisées pour créer des gabarits sacrificiels qui formeront plus tard les conduits et d'autres éléments ouverts à l'intérieur des pièces fabriquées.

Akash Garg, titulaire d'un doctorat. étudiant en génie mécanique et Saigopalakrishna Yerneni, associée postdoctorale en génie chimique, ont développé le procédé et mené des études sous la direction de Burak Ozdoganlar, Philip LeDuc et Phil Campbell, professeurs en génie mécanique et biomédical.

"Grâce à notre processus de glace 3D, nous pouvons fabriquer des modèles de glace à micro-échelle avec des parois lisses et des structures ramifiées avec des transitions douces. Ceux-ci peuvent ensuite être utilisés pour fabriquer des pièces à micro-échelle avec des vides internes bien définis", a déclaré Garg.

En tant que substance la plus abondante à la surface de la Terre et élément de base de tout organisme vivant, l'eau est exceptionnellement bien adaptée aux applications de bio-ingénierie. La transition de phase simple et rapide de l'eau à la glace offre des opportunités intéressantes pour l'utilisation de l'eau comme matériau de structure respectueux de l'environnement.

"Il n'est pas plus biocompatible que l'eau", a déclaré Garg.

L'équipe utilise les structures de glace imprimées comme modèles sacrificiels pour le "moulage inversé" ou l'impression 3D à l'envers. Les structures de glace sont immergées dans la forme liquide ou de gel d'un matériau structurel refroidi, tel que de la résine. Une fois le matériau pris ou durci, l'eau est éliminée. A cet effet, la glace peut être fondue pour évacuer l'eau. Alternativement, la glace peut être sublimée en la convertissant en vapeur d'eau sans la transformer en eau liquide. Cette capacité à sublimer facilement la glace permet un retrait facile et "en douceur" après la coulée et la solidification du matériau structurel environnant.

Un système d'impression 3D haute résolution est utilisé pour déposer des gouttelettes d'eau sur un -35 ^o C plate-forme sur mesure à température contrôlée qui transforme rapidement l'eau en glace. En modulant la fréquence d'éjection des gouttelettes d'eau et en la synchronisant avec les mouvements de la scène, le nouveau procédé permet d'imprimer des géométries ramifiées avec des surfaces lisses et des variations continues de diamètre avec des transitions douces.

Les chercheurs le démontrent en imprimant plusieurs géométries de glace complexes, comme un arbre, une hélice autour d'un poteau et même une figurine de pieuvre d'un millimètre et demi de haut. Le changement de phase rapide de l'eau et la résistance de la glace ont permis l'impression 3D de forme libre de structures de glace sans nécessiter d'impression couche par couche ou de structures de support fastidieuses.

Des études expérimentales ont été réalisées pour déterminer le chemin d'impression, la vitesse de l'étape de mouvement et les fréquences des gouttelettes pour fabriquer de manière reproductible des structures de glace lisses avec des géométries droites, inclinées, ramifiées et hiérarchiques.

"Contrôler autant de paramètres était difficile", a expliqué Garg. "Nous avons progressivement construit en complexité."

"C'est une réalisation incroyable qui apportera des avancées passionnantes", a commenté Ozdoganlar. "Nous pensons que cette approche a un énorme potentiel pour révolutionner l'ingénierie tissulaire et d'autres domaines, où des structures miniatures avec des canaux complexes sont exigées, comme pour la microfluidique et la robotique douce."

Les chercheurs du corps professoral de Carnegie Mellon travaillent souvent ensemble au sein d'équipes interdisciplinaires pour résoudre de tels défis d'ingénierie et biologiques.

"L'un des aspects merveilleux de Carnegie Mellon est de rassembler des personnes de nombreuses disciplines différentes pour développer de nouvelles approches et résoudre des problèmes de manière unique et inédite, ce qui est exactement ce qui s'est produit ici pour développer ces découvertes passionnantes", a déclaré 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. + Explorer plus loin

Using colloidal nanodiscs for 3D bioprinting tissues and tissue models