La stampa tridimensionale (3D) ha un ruolo significativo nella produzione di membrane per la purificazione dell'acqua e la bioseparazione, con la capacità di creare strutture nuove e progettate in modo intelligente.
Tra i metodi di stampa 3D disponibili, la strategia della scrittura diretta con inchiostro offre un processo per stampare un’ampia varietà di materiali ad alta risoluzione. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Scientific Reports , Farnaz Rezaei e un team di ricercatori dell'Università svedese di Uppsala, hanno utilizzato l'acetato di cellulosa come materiale per inchiostro biocompatibile.
I ricercatori hanno notato la stampabilità e la possibilità di stampare caratteristiche piccole fino a pochi micrometri per esaminare lo sviluppo dell'acetato di cellulosa con pesi molecolari variabili. I diametri interno ed esterno dell'ugello hanno influenzato la risoluzione dettagliata della struttura stampata. I ricercatori hanno utilizzato inchiostri diversi per ottenere diverse larghezze di fili stampati e hanno completato con successo la scrittura diretta con strutture di cellulosa ad alta risoluzione.
Produzione additiva
I metodi di stampa 3D o di produzione additiva facilitano lo sviluppo di strutture 3D complesse attraverso la deposizione strato per strato di materiali su un substrato selezionato utilizzando metodi di progettazione assistita da computer. Il metodo ha dimostrato la sua capacità di produrre strutture con geometrie complesse ben regolate, di offrire numerosi vantaggi oltre alla bioproduzione convenzionale e di formare geometrie complesse.
L’intraprendenza economicamente vantaggiosa è un ulteriore vantaggio del metodo. Questi metodi sono applicabili in una varietà di campi, tra cui la somministrazione di farmaci, la microfluidica e i sistemi di separazione, adatti al trattamento delle acque reflue, ai dispositivi biomedici e alla cromatografia su membrana.
La richiesta di dettagli ad alta risoluzione ha tuttavia limitato l’uso della produzione additiva. La scrittura diretta fornisce un metodo basato sulla dispersione per depositare il materiale di inchiostro desiderato attraverso un ugello su un substrato e fornire una serie di materiali stampabili tra cui polimeri, idrogel, ceramica e metalli.
Scrittura diretta con inchiostro con acetato di cellulosa
La cellulosa ha attirato molta attenzione come materia prima legittima per le applicazioni di stampa 3D grazie alle sue eccellenti prestazioni. Gli scienziati hanno scelto la cellulosa in questo lavoro per la sua natura rinnovabile, degradabile e abbondante. Anche la cellulosa è un polimero bioattivo, con applicazioni più ampie.
Rezaei e colleghi hanno studiato le strutture della membrana, comprese le proprietà di bagnatura, la composizione dell'inchiostro e il diametro dell'ugello che hanno influenzato il processo di stampa durante questo studio. Hanno esplorato l'influenza delle dimensioni dell'ugello, che includevano le dimensioni interna ed esterna, per studiare la possibilità di stampare strutture con una risoluzione di dettaglio a livello di micron.
Hanno utilizzato capillari di vetro borosilicato per preparare gli ugelli, hanno formulato l'inchiostro per riempire la siringa e hanno impostato la stampa per creare modelli, comprese strutture di prova, seguite dalla caratterizzazione dell'angolo di contatto degli inchiostri e dall'esame con la microscopia elettronica a scansione.
Per esplorare l'effetto della stampa con capillari di diverso diametro, il team ha stampato inchiostro di acetato di cellulosa al 10% su un substrato di vetro non rivestito per studiare il fenomeno.
Studiando i diversi rapporti di inchiostro, hanno ottenuto diverse stampabilità e risoluzione, quindi hanno esaminato i meccanismi di regolazione delle dimensioni delle strutture stampate. Ad esempio, la scrittura diretta con inchiostro prevedeva la bagnatura tra l'inchiostro e le superfici, influenzando il processo di stampa.
Per studiare l'influenza dei fattori che regolano la dimensione dei fili stampati, gli scienziati hanno esaminato la bagnabilità degli inchiostri includendo diverse quantità di acetato di cellulosa su substrati di vetro rivestiti e non rivestiti.
Durante la scrittura diretta con inchiostro, la bagnatura tra l'inchiostro e le superfici dei materiali influenzava il processo di stampa. Rezaei e il team hanno studiato le strutture dell'inchiostro per progettare architetture e hanno osservato la capacità di diversi modelli di stampa di creare un muro o un ponte.
Prospettive
In questo modo, Farnaz Rezaei e colleghi hanno mostrato la possibilità di costruire strutture di acetato di cellulosa fino a 300 strati con un metodo di scrittura diretta con inchiostro. Gli scienziati hanno ottenuto un'elevata risoluzione dei dettagli regolando le dimensioni degli ugelli e i parametri di stampa, nonché il peso molecolare e le concentrazioni dell'acetato di cellulosa nell'inchiostro.
Il team ha notato che le proprietà bagnanti dell'inchiostro sul substrato e sull'ugello, in combinazione con la composizione dell'inchiostro, influenzano la larghezza del filo. Quando hanno stampato strutture a membrana e fili pendenti hanno ottenuto larghezze simili o inferiori al diametro interno dell'ugello. Per ottenere la risoluzione desiderata, i ricercatori hanno esplorato le velocità di stampa in varie direzioni per mantenere tempi di stampa estesi per strutture più grandi.
Per il lavoro futuro, il team propone di esplorare la progettazione di ugelli multipli insieme alla stampa a getto d'inchiostro per migliorare la velocità di stampa.
Ulteriori informazioni: Farnaz Rezaei et al, Scrittura diretta con inchiostro di strutture di cellulosa ad alta risoluzione, Rapporti scientifici (2023). DOI:10.1038/s41598-023-49128-8
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