3D-печать в науке: обзор применения

Трудно найти отрасль, где бы сейчас ни использовалась 3D-печать. Она оказывает огромное влияние на развитие строительства, производства, авиации и т.д.

Конечно же, не последнюю роль 3D-технологии играют и в развитии науки. Какую бы область мы ни взяли: медицина, химия, археология, везде уже используют 3D-принтеры. В этой статье мы расскажем о том, какие изобретения помогли создать ученым 3D-технологии в последнее время.

Содержание

Фундаментальная наука

3D-разделитель молекулярных пучков

Один из методов изучения изотопного состава молекул – разделение их на пучки. Изменяя изотопный состав, можно получить новые специфические свойства материалов. Как правило, оборудование, на котором происходит разделение молекул на пучки, стоит дорого, а на его изготовление уходит несколько месяцев.

Команда швейцарских исследователей разработала устройство для разделения пучков молекул. По словам ученых, новый метод с использованием 3D-печати и гальваники позволяет увеличить производительность прибора в 50-100 раз, а на его изготовление уходит всего 2-3 дня.

Источник: actu.epfl.ch

Процесс изготовления простой. С помощью 3D-принтера создается пластмассовая деталь со специфической геометрией, которая позволяет расщеплять молекулярный пучок. Затем по ее поверхности распределяется металл. Осаждение происходит избирательно: некоторые области становятся проводящими, а другие нет. Деталь превращается в два высоковольтных электрода.

Такое изобретение позволило существенно сократить стоимость производства приборов для расщепления молекулярных пучков. Кроме того, ученые отмечают еще один существенный плюс: «Поскольку электроды печатаются прямо с компьютера, точную копию полной экспериментальной установки можно воспроизвести где угодно, просто передав файл».

Биохимия

Дорогое уникальное лабораторное оборудование доступно не всем, что замедляет развитие науки. Решением этой проблемы могут стать установки созданные с помощью 3D-технологий — они значительно дешевле и производятся гораздо быстрее стандартных.

3D-инструменты для химических и биологических лабораторий

Исследователи из Калифорнийского университета разработали систему 3D-печатных блоков в стиле Lego, предназначенную для исследований в химических и биологических лабораториях.

Каждый блок – отдельное устройство. Например, устройство для перекачки жидкости или прибор для измерения каких-то параметров. Подобно кубикам Lego, эти блоки могут соединяться друг с другом.

Источник: https://www.digitaltrends.com

Пользователи могут создавать собственные экспериментальные установки. В зависимости от целей и фантазии, можно собрать и прибор для титрования, и биореактор.

Эти 3D-печатные блоки особенно удобны для лабораторий с ограниченными ресурсами, поскольку позволяют создать большой спектр исследовательского и диагностического оборудования.

Химический 3D-реактор

В 2018 году команда ученых из исследовательского центра I-Form разработала химический 3D-реактор, который можно использовать для контролируемого смешивания веществ в фармацевтике. Получился он, правда, одноразовым.

Источник: https://www.3ders.org

Основная его особенность – гибкость конструкции: возможность изменять параметры внутреннего контейнера для разных смешиваемых реагентов.

При создании реактора использовали 3D-принтер Intamsys Funmat HT.

Intamsys Funmat HT

Характеристики

Технология печати: FDM
Толщина слоя: 50 мкм
Скорость печати: от 30-300 мм/с
Область печати: 260х260х260 мм
Поддерживаемые материалы: PEEK, ULTEM, PPSU, PA/CF, PC, PA, ABS, Carbon, Metal-Filled, Fiberglass-Filled, ASA, PETG, ESD-Safe, HIPS, TPU, PLA

Intamsys Funmat HT – это высокотемпературный 3D-принтер от компании Intamsys. Преимущество этого устройства – возможность работать как с тугоплавкими материалами PEEK и ULTEM, так и с более привычными ABS и HIPS.

Подробный обзор можно посмотреть тут.

Археология

3D-печать позволяет археологам и палеонтологам максимально детально воссоздавать несохранившиеся части объектов. А 3D-копия исторического объекта позволит ученым изучать артефакты без опасения повредить оригинал.

3D-печатный скелет мамонта

Бельгийская компания Materialise работает над проектом по созданию напечатанного на 3D-принтере скелета мамонта в натуральную величину. Всего предстоит напечатать 320 костей. Копии костей мамонта создадут на девяти 3D-принтерах Materialise Mammoth SLA, которые компания специально разработала для крупномасштабных проектов. Реконструкций подобного масштаба еще никто не делал.

Источник: https://3dprint.com

3D-печать макетов ископаемых

В Национальном университете Австралии с помощью 3D-принтера ProJet 660 Pro ученые воссоздают макеты челюстей рыб, которые, по одной из версий, могли быть дальними предками человека. Детальное изучение макетов поможет узнать как формировалась челюсть приматов в процессе эволюции.

Источник: https://www.dnaindia.com

ProJet 660 Pro

Характеристики
Технология печати: CJP
Толщина слоя: 100 мкм
Скорость печати: 28 мм/час
Область печати: 254 x 381 x 203 мм
Поддерживаемые материалы: VisiJet PXL

ProJet 660 Pro – это полноцветной профессиональный принтер от компании 3D Systems. Его основная особенность – способность быстро создавать высокодетализированные и ярко окрашенные модели. Объемная камера позволяет печатать крупномасштабные объекты.

Экология

Более 40% известных науке видов находятся на грани исчезновения. Основные причины вымирания – изменение климата, загрязнение окружающей среды и браконьерство. С проблемой исчезновения видов частично помогут справиться 3D-технологии.

Восстановление коралловых рифов

Коралловые рифы – важный элемент экосистемы не только для морских обитателей, но и для людей, поскольку они защищают береговую линию от сильных штормов. За последние 30 лет погибло 50% рифов на планете и они могут полностью исчезнуть в ближайшие 40 лет. Дальнейшее исчезновение кораллов может привести к экологической катастрофе, так как они служат домом огромному количеству других организмов.

Одним из способов спасения рифов стала 3D-печать кораллов.

Источник: https://all3dp.com

До конца не ясно, будет ли этот проект успешным, поскольку потребуется минимум год, чтобы понять — приживутся ли искусственные кораллы в океане. Компания Reef Design Lab спроектировала, напечатала и собрала уже более сотни модулей. Созданные модели рифов сбрасываются в океан, где свободноплавающие коралловые полипы присоединяются к ним и постепенно формируют новые коралловые структуры, которые должны привлечь рыб.

3D-материаловедение

Ученые выделяют большие ресурсы на разработку новых материалов для 3D-печати. Это обусловлено необходимостью создавать все более качественные продукты с уникальными характеристиками.

3D-печать вязкими материалами

3D-объекты, которые напечатаны с помощью вязких материалов, обладают хорошими изоляционными и механическими свойствами. До недавнего времени использовать такие материалы было затруднительно, из-за сложностей с их подачей в экструдер.

Компания Next Offset Solutions создала 3D-принтер, который позволяет работать с вязкими материалами. Основная особенность нового 3D-принтера – высокоамплитудные ультразвуковые колебания. Они проталкивают материалы и мешают засорению печатной головки.

Источник: https://phys.org

Свои наработки Next Offset Solutions планирует использовать в энергетической и оборонной отрасли.

3D-структуры из жидкости

Исследователи из Национальной лаборатории Министерства энергетики имени Лоуренса Беркли придумали способ создания 3D-печатных структур состоящих исключительно из жидкостей. Ученые смогли напечатать жидкие спирали длиной до нескольких метров. Для создания таких конструкций исследователи использовали обычный 3D-принтер, к которому они добавили шприц, чтобы впрыскивать воду в емкость с силиконовым маслом. В воду также были добавлены наночастицы золота и измельченный полимерный лигандный материал, который способен связываться с атомами металла. Лиганд взаимодействовал с частицами золота и образовывал оболочку вокруг воды, которая предотвращала ее распад.

Источник: https://newatlas.com

Хотя метод находится на стадии разработки, ученые надеются, что подобный процесс может стать новым этапом в развитии электроники.

Медицина

В медицине 3D-принтеры используются в первую очередь для печати протезов и имплантов. Технология непрерывно развивается и, кроме биосовместимых пластиков, также стали использовать комбинацию биологических и синтетических материалов для биопринтинга — печати тканей и даже органов. Рассмотрим наиболее интересные кейсы биопринтинга на примере оборудования от компании ROKIT.

Rokit Dr. INVIVO 4D6

Характеристики

Технология печати: 3D Bioprinting
Скорость печати: 50 мм/сек
Область печати: 80 х 80 х 80 мм
Поддерживаемые материалы: PGLA; PCL; PLLA; полимерные порошки
Размер, мм: 683х683х965
Вес, кг: 95
Цена: по запросу

Rokit Dr. INVIVO 4D6 – южнокорейский медицинский био-3D-принтер, разработанный для тканевой инженерии. На нём можно печатать каркасы твердых тканей, гидрогели мягких тканей и биологических красок, таких как коллаген и фиброин шелка.

Устройство имеет встроенные биофабрикатор, инкубатор клеток с контролем уровня CO2, LIQUID обработчик, стерилизатор камеры с системой контроля частиц, умную систему управления и контроля. Всё это обеспечивает оптимальную среду для роста клеток.

Современный принтер Rokit Dr. INVIVO 4D6 оснащен ультразвуковым датчиком автоматического выравнивания платформы и сопла, а также модульными печатающими головками, в комплекте со сменным диспенсером и роторными биодиспергаторами.

Укомплектован оптическим микроскопом с 20-кратным увеличением, для контроля качества отпечатанных образцов. В комплект входят многоплатформенные планшеты с лунками и другая специализированная посуда.

Дерматология

Источник: rokithealthcare.com

На 3D-принтере Rokit Dr. INVIVO 4D была выполнена экспериментальная работа по регенерации кожи (дермы) с помощью биочернил, полученных из внеклеточного матрикса (ВКМ). Внеклеточный матрикс – основа соединительной ткани. Он обеспечивает механическую поддержку клеток и транспортировку химических веществ.

В качестве материалов печати были использованы: коллагеновый каркас, стволовая клетка и биочернила на основе ВКМ. Сама печать осуществлялась при помощи шприца-дозатора.

Финальным этапом работы стал анализ жизнеспособности клеток и эффективности подобного метода регенерации.

Отоларингология

Чтобы напечатать гибкие кости для реконструкции уха потребовались гидроксиапатит (ГАп) и сополимер молочной и гликолевой кислот (ПМГК). Печать производилась при помощи шприца-дозатора.

В процессе исследования полученных образцов определяли идеальное сочетание природных и синтетических полимеров для создания костных структур, обладающих гибкостью, и производили регенерацию хряща с использованием гибкой кости в качестве каркаса.

Нефрология

Только в России в 2019 году трансплантация почки требовалась 6500 человек. Средний срок ожидания подходящего донора составляет 4,5 года. До тех пор люди вынуждены находиться на гемодиализе.

Изготовление почки с васкуляризацией методом 3D-печати, после необходимых исследований и внедрения технологии, могло бы облегчить жизнь пациентам с острой почечной недостаточностью и другими нефрологическими диагнозами.

3D-печать осуществлялась с помощью шприца-дозатора. Для печати почки потребовались биологические и синтетические материалы: клетки нефронов почки, метакрилат-желатин, элюирующий ЛС, эндотелиальные клетки вены пуповины человека.

В ходе эксперимента были выращены и отделены клетки проксимального почечного канальца и почечных эндотелиальных клеток, полученных из почек пациента. Затем создан кольцеобразный элюирующий каркас, содержащий проангиогенные препараты внутри и антиангиогенные препараты снаружи. После чего было сделано выстилание двух указанных каркасов соответственно эндотелиальными клетками и клетками проксимального почечного канальца.

Медицинская техника

Помимо выращивания тканей, принтер Rokit Dr. INVIVO 4D незаменим для изготовления вспомогательных изделий для хирургии.

Так был напечатан сосудистый каркас для системы «лаборатория на чипе». Для печати был использован гель INVIVO и фибробласты.

В конце любого исследования с использованием биоматериала оценивается жизнеспособность клеток. Из клеток, впечатанных в биочернила, после недели испытаний жизнеспособными остались 95%.

Другой пример: с помощью пневматического дозатора горячего расплава была напечата хирургическая нить на основе поли-п-диоксан-2-она.

Целью была проверка пригодности для печати смеси материалов на основе поли-п-диоксан-2-она и оценка параметров: коэффициент заполнения – 100%, скорость печати – 8 мм/с, давление воздуха – 900 кПа.

Для двойной печати на 96-луночном планшете подойдут любые гидрогели или биочернила с клетками.

Данная технология с соответствующими настройками ПО использовалась для оценки управления посевом

клеточного материала в лунки и жизнеспособности напечатанных в лунках клеток.

Двойная печать с использованием комбинации коллагена и ПКЛ была выполнена сдвоенной модульной системой, состоящей из пневматического дозатора горячего расплава и шприца-дозатора. Технология работает так: сначала строится формообразующий каркас из ПКЛ, а затем в него впечатываются структуры из коллагена. Основной задачей была проверка пригодности биочернил для двойной печати.

Выводы

Трудно переоценить пользу влияние оказываемое 3D-технологий на работу ученых при применении в науке. Мы обозрели далеко не все научные области, в которых 3D-печать может оказаться полезной. Возможность создавать экспериментальные установки, оборудование и конструкции со сложной геометрией в кратчайшие сроки и по доступным ценам – мощный толчок для развития исследовательских лабораторий и наукоемких предприятий, разработки новых приборов и методов исследований. Но это — отдельная большая тема, которую невозможно рассмотреть в одной статье. Велика вероятность, что мы еще вернемся к этой теме.