3D

Aug 17, 2023

Dottorato di ricerca Candidato in Scienza e Ingegneria dei Materiali, Università della Florida

Professore Associato di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Università della Florida

Gli autori non lavorano, non consultano, non possiedono azioni o ricevono finanziamenti da alcuna società o organizzazione che trarrebbe beneficio da questo articolo e non hanno rivelato affiliazioni rilevanti oltre alla loro nomina accademica.

L'Università della Florida fornisce finanziamenti in qualità di partner fondatore di The Conversation US.

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Secondo la nostra ricerca recentemente pubblicata, una nuova tecnica di stampa 3D che utilizza il silicone può creare modelli accurati dei vasi sanguigni nel cervello, consentendo ai neurochirurghi di allenarsi con simulazioni più realistiche prima di operare.

Molti neurochirurghi praticano ogni intervento chirurgico prima di entrare in sala operatoria sulla base di modelli di ciò che sanno del cervello del paziente. Ma i modelli attuali utilizzati dai neurochirurghi per la formazione non imitano bene i vasi sanguigni reali. Forniscono un feedback tattile irrealistico, mancano di piccoli ma importanti dettagli strutturali e spesso escludono interi componenti anatomici che determinano il modo in cui verrà eseguita ciascuna procedura. Repliche realistiche e personalizzate del cervello dei pazienti durante le simulazioni pre-operatorie potrebbero ridurre gli errori nelle procedure chirurgiche reali.

La stampa 3D, tuttavia, potrebbe creare repliche con la morbidezza e la precisione strutturale di cui i chirurghi hanno bisogno.

La stampa 3D è generalmente considerata un processo che prevede la posa di uno strato dopo l’altro di plastica fusa che si solidifica man mano che viene costruita una struttura autoportante. Sfortunatamente, molti materiali morbidi non si sciolgono e non si solidificano come fanno i filamenti di plastica utilizzati tipicamente dalle stampanti 3D. Gli utenti hanno a disposizione solo una possibilità con materiali morbidi come il silicone: devono essere stampati mentre sono allo stato liquido e poi solidificarsi in modo irreversibile.

Come si fa a creare una forma 3D complessa da un liquido senza finire con una pozzanghera o una massa accasciata?

A questo scopo i ricercatori hanno sviluppato un approccio ampio chiamato stampa 3D incorporata. Con questa tecnica, l'“inchiostro” viene depositato all'interno di un bagno di un secondo materiale di supporto atto a scorrere attorno all'ugello di stampa e intrappolare l'inchiostro nel punto subito dopo che l'ugello si allontana. Ciò consente agli utenti di creare forme complesse a partire da liquidi mantenendoli intrappolati nello spazio tridimensionale finché non arriva il momento di solidificare la struttura stampata. La stampa 3D incorporata si è rivelata efficace per strutturare una varietà di materiali morbidi come idrogel, microparticelle e persino cellule viventi.

Tuttavia, la stampa con il silicone rimane una sfida. Il silicone liquido è un olio, mentre la maggior parte dei materiali di supporto sono a base d'acqua. L’olio e l’acqua hanno un’elevata tensione interfacciale, che è la forza trainante per cui le goccioline d’olio assumono forme circolari nell’acqua. Questa forza provoca anche la deformazione delle strutture in silicone stampate in 3D, anche in un mezzo di supporto.

Ancora peggio, queste forze interfacciali spingono le caratteristiche del silicone di piccolo diametro a rompersi in goccioline mentre vengono stampate. Sono state effettuate molte ricerche per realizzare materiali siliconici che possano essere stampati senza supporto, ma queste pesanti modifiche modificano anche le proprietà a cui tengono gli utenti, come quanto sia morbido ed elastico il silicone.

Come ricercatori che lavorano all’interfaccia tra fisica della materia soffice, ingegneria meccanica e scienza dei materiali, abbiamo deciso di affrontare il problema della tensione interfacciale sviluppando un materiale di supporto costituito da olio di silicone.

Abbiamo pensato che la maggior parte degli inchiostri siliconici sarebbero stati chimicamente simili al nostro materiale di supporto siliconico, riducendo così drasticamente la tensione interfacciale, ma anche abbastanza diversi da rimanere separati una volta messi insieme per la stampa 3D. Abbiamo creato molti materiali di supporto candidati, ma abbiamo scoperto che l'approccio migliore era creare un'emulsione densa di olio di silicone e acqua. Si può pensare ad essa come ad una maionese cristallina, fatta con microgocce d'acqua racchiuse in un continuum di olio di silicone. Chiamiamo questo metodo produzione additiva a bassissima tensione interfacciale, o AMULIT.