La stampa 3D ha rivoluzionato i campi della sanità, Ingegneria Biomedica, produzione e design artistico.

Le applicazioni di successo sono arrivate nonostante il fatto che la maggior parte delle tecniche di stampa 3D possa produrre solo parti realizzate con un materiale alla volta. Si potrebbero sviluppare applicazioni più complesse se le stampanti 3D potessero utilizzare materiali diversi e creare parti multimateriale.

Una nuova ricerca utilizza diverse lunghezze d'onda della luce per raggiungere questa complessità. Gli scienziati dell'Università del Wisconsin-Madison hanno sviluppato una nuova stampante 3D che utilizza modelli di luce visibile e ultravioletta per stabilire quale dei due monomeri viene polimerizzato per formare un materiale solido. Diversi modelli di luce forniscono il controllo spaziale necessario per produrre parti multimateriali. Il lavoro è stato pubblicato il 15 febbraio sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Per quanto sorprendente sia la stampa 3D, in molti casi offre un solo colore con cui dipingere, " dice il professore di chimica UW-Madison A.J. Boydston, che ha condotto il recente lavoro con la sua studentessa laureata Johanna Schwartz. "Il campo ha bisogno di una tavolozza di colori completa".

Boydston e Schwartz sapevano che i migliori materiali di stampa richiedevano un approccio chimico per completare i progressi dell'ingegneria.

"Questo è un cambiamento nel modo in cui pensiamo alla stampa 3D con più tipi di materiali in un unico oggetto, " Dice Boydston. "Questo è più un approccio da chimico dal basso verso l'alto, dalle molecole alle reti”.

La stampa 3D è il processo di creazione di oggetti tridimensionali solidi da un file digitale aggiungendo successivamente strati sottili di materiale sopra gli strati precedenti. La maggior parte dei metodi di stampa 3D multi-materiale utilizza serbatoi di materiali separati per ottenere materiali diversi nelle giuste posizioni.

Ma Boydston si rese conto che un'unica vasca, approccio multicomponente, simile all'approccio one-pot di un chimico durante la sintesi di molecole, sarebbe più pratico di serbatoi multipli con materiali diversi. Questo approccio si basa sulla capacità di diverse lunghezze d'onda della luce di controllare quali materiali di partenza polimerizzano in diverse sezioni del prodotto solido. Questi materiali di partenza iniziano come semplici sostanze chimiche, noti come monomeri, che polimerizzano insieme in una serie più lunga di sostanze chimiche, come come è fatta la plastica.

"Se puoi progettare un elemento in PowerPoint con colori diversi, poi possiamo stamparlo con diverse composizioni in base a quei colori, " dice Schwartz.

I ricercatori creano più immagini digitali che, quando impilato, produrre un disegno tridimensionale. Le immagini controllano se la luce ultravioletta o visibile viene utilizzata per polimerizzare i materiali di partenza, che controlla il materiale finale e le sue proprietà, come rigidità. I ricercatori dirigono contemporaneamente la luce da due proiettori verso una vasca di materiali di partenza liquidi, dove i livelli sono costruiti uno per uno su una piattaforma. Dopo che uno strato è stato costruito, la piattaforma di costruzione si sposta verso l'alto, e la luce aiuta a costruire il livello successivo.

Il principale ostacolo affrontato da Boydston e Schwartz è stato l'ottimizzazione della chimica dei materiali di partenza. Per prima cosa hanno considerato come i due monomeri si sarebbero comportati insieme in una vasca. Dovevano anche garantire che i monomeri avessero tempi di indurimento simili in modo che i materiali duri e morbidi all'interno di ogni strato finissero di asciugarsi all'incirca nello stesso momento.

Con la giusta chimica in atto, Boydston e Schwartz potevano ora dettare esattamente dove ogni monomero polimerizzava all'interno dell'oggetto stampato usando la luce ultravioletta o visibile.

"In questa fase, siamo riusciti a mettere solo materiali duri accanto a materiali morbidi in un solo passaggio, " dice Boydston. "Ci sono molte imperfezioni, ma queste sono nuove sfide entusiasmanti".

Ora, Boydston vuole affrontare queste imperfezioni e rispondere a domande aperte, ad esempio quali altre combinazioni di monomeri possono essere utilizzate e se è possibile utilizzare diverse lunghezze d'onda della luce per polimerizzare questi nuovi materiali. Boydston spera anche di riunire un team interdisciplinare in grado di aumentare l'impatto dei segnali controllati dalla lunghezza d'onda, stampa 3D multimateriale.

Il nuovo approccio dei ricercatori alla stampa 3D multimateriale potrebbe consentire ai progettisti, artisti, ingegneri e scienziati per creare sistemi significativamente più complessi con la stampa 3D. Le applicazioni potrebbero includere la creazione di dispositivi medici personalizzati, come protesi, o lo sviluppo di organi e tessuti simulati. Gli studenti di medicina potrebbero usare questi organi sintetici per l'allenamento invece di, o prima di lavorare con, pazienti vivi.

L'utilizzo di metodi chimici per eliminare un collo di bottiglia ingegneristico è esattamente ciò di cui l'industria della stampa 3D ha bisogno per andare avanti, dice Schwartz.

"È questa interfaccia tra chimica e ingegneria che spingerà il campo a nuove vette, " dice Schwartz.