Gli ingegneri dell'Università dell'Illinois hanno costruito una stampante 3D che offre una soluzione dolce per realizzare strutture dettagliate che le stampanti 3D commerciali non possono:piuttosto che un guscio solido strato su strato, produce un delicato reticolo di sottili nastri di isomalto indurito, il tipo di alcol zuccherino usato per fare le pastiglie per la gola.

L'idrosolubile, le strutture di zucchero vetroso biodegradabile hanno molteplici applicazioni nell'ingegneria biomedica, ricerca sul cancro e produzione di dispositivi.

"Questo è un ottimo modo per creare forme attorno alle quali possiamo modellare materiali morbidi o far crescere cellule e tessuti, poi l'impalcatura si dissolve, " disse Rohit Bhargava, professore di bioingegneria e direttore del Cancer Center dell'Illinois. "Per esempio, una possibile applicazione è la crescita di tessuti o lo studio dei tumori in laboratorio. Le colture cellulari vengono generalmente eseguite su piatti piatti. Questo ci dà alcune caratteristiche delle cellule, ma non è un modo molto dinamico di vedere come funziona effettivamente un sistema nel corpo. Nel corpo, ci sono forme ben definite, e forma e funzione sono strettamente correlate."

In un articolo pubblicato sulla rivista Additive Manufacturing, il gruppo di ricerca ha descritto i materiali e la meccanica della stampa isomalto a forma libera. Forma libera significa che mentre l'ugello si muove nello spazio, il materiale fuso si indurisce, lasciando dietro di sé una struttura robusta, come disegnare a mezz'aria.

Altri tipi di stampa su zucchero sono stati precedentemente esplorati, ma hanno problemi con lo zucchero che brucia o cristallizza, ha detto Matteo Gelber, il primo autore dell'articolo che si è recentemente laureato presso il gruppo di Bhargava con un dottorato di ricerca.

Il team dell'Illinois ha scoperto che l'isomalto di alcol e zucchero potrebbe funzionare per applicazioni di stampa ed è meno soggetto a bruciature o cristallizzazione. Quindi hanno dovuto costruire una stampante che avesse la giusta combinazione di dettagli meccanici per stampare strutture di isomalto stabili:la giusta temperatura, pressione per espellerlo dall'ugello, diametro dell'ugello, e velocità per spostarlo in modo che stampi senza intoppi ma poi si indurisca in una struttura stabile.

"Dopo i materiali e la meccanica, la terza componente era l'informatica, "Gelber ha detto. "Hai un disegno di una cosa che vuoi fare; come si dice alla stampante di farlo? Come si fa a capire la sequenza per stampare tutti questi filamenti che si intersecano in modo che non collassi?"

I ricercatori dell'Illinois hanno collaborato con Greg Hurst alla Wolfram Research di Champaign per creare un algoritmo per progettare scaffold e mappare i percorsi di stampa.

Un vantaggio di tali strutture a forma libera è la loro capacità di realizzare tubi sottili con sezioni trasversali circolari, qualcosa che non è possibile con la stampa 3D polimerica convenzionale, ha detto Bhargava. Quando lo zucchero si scioglie, lascia una serie di tubi e tunnel cilindrici collegati che possono essere utilizzati come vasi sanguigni per trasportare nutrienti nei tessuti o per creare canali in dispositivi microfluidici.

Un altro vantaggio è la capacità di controllare con precisione le proprietà meccaniche di ogni parte della struttura apportando lievi modifiche ai parametri della stampante.

"Per esempio, abbiamo stampato un coniglio. Potremmo, in linea di principio, modificare le proprietà meccaniche della coda del coniglio in modo che sia diversa dalla parte posteriore del coniglio, e tuttavia essere diverso dalle orecchie, Bhargava ha detto. "Questo è molto importante dal punto di vista biologico. Nella stampa strato per strato, hai lo stesso materiale e stai depositando lo stesso importo, quindi è molto difficile regolare le proprietà meccaniche."

Il gruppo di Bhargava sta già utilizzando gli scaffold in una varietà di dispositivi microfluidici e colture cellulari, e sta lavorando per sviluppare un rivestimento per le impalcature per controllare la velocità con cui si dissolvono. L'articolo sulla produzione additiva fa parte di una serie di pubblicazioni basate sul lavoro di tesi di Gelber che descrive in dettaglio come costruire la stampante e gli algoritmi di pianificazione necessari per farla funzionare, poiché i ricercatori sperano che altri possano utilizzare i loro modelli per costruire stampanti ed esplorare varie applicazioni per strutture di isomalto.

"Questa stampante è un esempio di ingegneria che ha implicazioni a lungo termine per la ricerca biologica, " Bhargava ha detto. "Questa è l'ingegneria fondamentale che si unisce alla scienza dei materiali e all'informatica per creare un dispositivo utile per le applicazioni biomediche".