Programmazione ortogonale della rigidità e della geometria della matrice tramite stereolitografia assistita da inibizione dell'ossigeno. a Configurazione schematica del sistema di stampa 3D stereolitografica a proiezione digitale in cui la soluzione precursore di idrogel viene polimerizzata strato per strato attraverso l'esposizione ai raggi UV. L'inserto è un'immagine SEM di un oggetto complesso stampato in 3D. La barra della scala è 500μm. b Schema della stampa assistita da inibizione dell'ossigeno, in cui la zona di indurimento è fisicamente limitata tra la regione indurita e lo strato di inibizione dell'ossigeno. c Profilo di profondità del tasso di conversione del doppio legame a diversi dosaggi di esposizione ai raggi UV. Lo spessore dello strato di inibizione dell'ossigeno dipende debolmente dai dosaggi di esposizione, e così fa lo spessore di polimerizzazione. Il tasso di conversione del doppio legame aumenta rapidamente con il dosaggio quando il dosaggio è al di sopra della soglia. d Immagine ottica in campo chiaro di un logo di bufalo stampato con rigidità e geometria modellate in modo indipendente (rigidità binaria ma superficie piana). L'alto contrasto ottico indica le forti differenze nella densità di reticolazione e, perciò, la rigidità. La barra della scala è 200μm. e La quantificazione del contrasto ottico (linea nera) e della variazione della geometria (linea blu) lungo la linea tratteggiata in b rivela forti differenze di contrasto (rigidezza) ma poca variazione di altezza delle caratteristiche ( < 1%). Credito: Comunicazioni sulla natura (2018). DOI:10.1038/s41467-018-06685-1
Gli ingegneri dell'Università del Colorado Boulder hanno sviluppato una tecnica di stampa 3D che consente il controllo localizzato della fermezza di un oggetto, aprendo nuove strade biomediche che un giorno potrebbero includere arterie artificiali e tessuti di organi.
Lo studio, che è stato recentemente pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , delinea un metodo di stampa strato per strato che presenta grana fine, controllo programmabile sulla rigidità, consentendo ai ricercatori di imitare la complessa geometria dei vasi sanguigni che sono altamente strutturati e tuttavia devono rimanere flessibili.
I risultati potrebbero un giorno portare a una migliore, trattamenti più personalizzati per chi soffre di ipertensione e altre malattie vascolari.
"L'idea era di aggiungere proprietà meccaniche indipendenti a strutture 3D in grado di imitare il tessuto naturale del corpo, " ha detto Xiaobo Yin, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica della CU Boulder e autore senior dello studio. "Questa tecnologia ci consente di creare microstrutture che possono essere personalizzate per i modelli di malattia".
I vasi sanguigni induriti sono associati a malattie cardiovascolari, ma la progettazione di una soluzione per l'arteria vitale e la sostituzione dei tessuti si è storicamente dimostrata una sfida.
Per superare questi ostacoli, i ricercatori hanno trovato un modo unico per sfruttare il ruolo dell'ossigeno nell'impostazione della forma finale di una struttura stampata in 3D.
"L'ossigeno di solito è una cosa negativa in quanto provoca una polimerizzazione incompleta, " ha detto Yonghui Ding, un ricercatore post-dottorato in Ingegneria Meccanica e l'autore principale dello studio. "Qui, utilizziamo uno strato che consente un tasso fisso di permeazione di ossigeno."
Mantenendo uno stretto controllo sulla migrazione dell'ossigeno e sulla sua successiva esposizione alla luce, Ding ha detto, i ricercatori hanno la libertà di controllare quali aree di un oggetto vengono solidificate per essere più dure o più morbide, il tutto mantenendo la stessa geometria complessiva.
"Questo è uno sviluppo profondo e un primo passo incoraggiante verso il nostro obiettivo di creare strutture che funzionino come dovrebbe funzionare una cellula sana, "Ding ha detto.
A dimostrazione, i ricercatori hanno stampato tre versioni di una struttura semplice:una trave superiore supportata da due aste. Le strutture erano identiche nella forma, dimensioni e materiali, ma era stato stampato con tre varianti di rigidità dell'asta:morbido/morbido, duro/morbido e duro/duro. Le aste più dure sostenevano la trave superiore mentre le aste più morbide ne consentivano il collasso totale o parziale.
I ricercatori hanno ripetuto l'impresa con una piccola figura di guerriero cinese, stampandolo in modo che gli strati esterni rimanessero duri mentre l'interno rimanesse morbido, lasciando il guerriero con un aspetto duro e un cuore tenero, per così dire.
La stampante da tavolo è attualmente in grado di lavorare con biomateriali fino a una dimensione di 10 micron, o circa un decimo della larghezza di un capello umano. I ricercatori sono ottimisti sul fatto che studi futuri contribuiranno a migliorare ulteriormente le capacità.
"La sfida è creare una scala ancora più fine per le reazioni chimiche, " ha detto Yin. "Ma vediamo enormi opportunità davanti a questa tecnologia e il potenziale per la fabbricazione di tessuti artificiali".
