3D

Aug 17, 2023

Кандидат наук. Кандидат наук о материалах и инженерии, Университет Флориды

Доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Университета Флориды

Авторы не работают, не консультируют, не владеют акциями и не получают финансирования от какой-либо компании или организации, которым будет полезна эта статья, и не раскрыли никакой соответствующей принадлежности, кроме своей научной должности.

Университет Флориды предоставляет финансирование в качестве партнера-учредителя The Conversation US.

Посмотреть всех партнеров

Согласно нашему недавно опубликованному исследованию, новая технология 3D-печати с использованием силикона позволяет создавать точные модели кровеносных сосудов головного мозга, что позволяет нейрохирургам тренироваться с использованием более реалистичных моделей перед операцией.

Многие нейрохирурги отрабатывают каждую операцию еще до того, как попадут в операционную, основываясь на моделях того, что они знают о мозге пациента. Но нынешние модели, которые нейрохирурги используют для обучения, плохо имитируют настоящие кровеносные сосуды. Они обеспечивают нереалистичную тактильную обратную связь, лишены мелких, но важных структурных деталей и часто исключают целые анатомические компоненты, которые определяют, как будет выполняться каждая процедура. Реалистичные и персонализированные копии мозга пациента во время предоперационного моделирования могут уменьшить количество ошибок в реальных хирургических процедурах.

Однако 3D-печать может создавать копии, которые будут мягкими на ощупь и структурной точностью, необходимой хирургам.

3D-печать обычно рассматривают как процесс, включающий нанесение слоя за слоем расплавленного пластика, который затвердевает по мере построения самонесущей конструкции. К сожалению, многие мягкие материалы не плавятся и не затвердевают повторно, как это происходит с пластиковой нитью, которую обычно используют 3D-принтеры. Пользователи получают только одну попытку с мягкими материалами, такими как силикон: их необходимо напечатать в жидком состоянии, а затем необратимо затвердеть.

Как сделать из жидкости сложную трехмерную фигуру, не получив в итоге лужу или оседающую каплю?

Для этой цели исследователи разработали широкий подход, называемый встроенной 3D-печатью. При использовании этого метода «чернила» осаждаются внутри ванны со вторым поддерживающим материалом, предназначенным для обтекания печатного сопла и удержания чернил в месте сразу после удаления сопла. Это позволяет пользователям создавать сложные формы из жидкостей, удерживая их в трехмерном пространстве до тех пор, пока не придет время затвердеть напечатанную структуру. Встроенная 3D-печать оказалась эффективной для структурирования различных мягких материалов, таких как гидрогели, микрочастицы и даже живые клетки.

Однако печать силиконом по-прежнему остается сложной задачей. Жидкий силикон представляет собой масло, тогда как большинство вспомогательных материалов имеют водную основу. Масло и вода имеют высокое межфазное натяжение, что является движущей силой того, почему капли масла принимают в воде круглую форму. Эта сила также приводит к деформации силиконовых структур, напечатанных на 3D-принтере, даже в поддерживающей среде.

Хуже того, эти межфазные силы заставляют силиконовые детали малого диаметра разбиваться на капли во время печати. Было проведено множество исследований по созданию силиконовых материалов, на которых можно печатать без подложки, но эти серьезные модификации также изменяют свойства, которые волнуют пользователей, например, насколько мягкий и эластичный силикон.

Как исследователи, работающие на стыке физики мягкого вещества, машиностроения и материаловедения, мы решили решить проблему межфазного натяжения, разработав опорный материал из силиконового масла.

Мы рассудили, что большинство силиконовых чернил будут химически похожи на наш силиконовый материал-подложку, что значительно уменьшит межфазное натяжение, но при этом будут достаточно разными, чтобы оставаться отдельными при соединении для 3D-печати. Мы создали множество материалов для поддержки кандидатов, но обнаружили, что лучшим подходом является создание плотной эмульсии силиконового масла и воды. Можно думать об этом как о кристально чистом майонезе, приготовленном из упакованных микрокапель воды в континууме силиконового масла. Мы называем этот метод аддитивным производством при сверхнизком межфазном натяжении, или АМУЛИТ.