3D

Jun 29, 2023

Doctor. Candidato en Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Florida

Profesor asociado de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad de Florida

Los autores no trabajan, consultan, poseen acciones ni reciben financiación de ninguna empresa u organización que se beneficiaría de este artículo, y no han revelado afiliaciones relevantes más allá de su nombramiento académico.

La Universidad de Florida proporciona financiación como socio fundador de The Conversation US.

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Según nuestra investigación publicada recientemente, una nueva técnica de impresión 3D que utiliza silicona puede crear modelos precisos de los vasos sanguíneos del cerebro, lo que permite a los neurocirujanos entrenar con simulaciones más realistas antes de operar.

Muchos neurocirujanos practican cada cirugía antes de ingresar al quirófano basándose en modelos de lo que saben sobre el cerebro del paciente. Pero los modelos actuales que utilizan los neurocirujanos para entrenar no imitan bien los vasos sanguíneos reales. Proporcionan retroalimentación táctil poco realista, carecen de detalles estructurales pequeños pero importantes y, a menudo, excluyen componentes anatómicos completos que determinan cómo se realizará cada procedimiento. Las réplicas realistas y personalizadas de los cerebros de los pacientes durante las simulaciones previas a la cirugía podrían reducir los errores en los procedimientos quirúrgicos reales.

Sin embargo, la impresión 3D podría crear réplicas con el tacto suave y la precisión estructural que necesitan los cirujanos.

Por lo general, se piensa que la impresión 3D es un proceso que implica colocar capa tras capa de plástico derretido que se solidifica a medida que se construye una estructura autoportante. Desafortunadamente, muchos materiales blandos no se funden ni se vuelven a solidificar como lo hace el filamento de plástico que suelen emplear las impresoras 3D. Los usuarios solo reciben una oportunidad con materiales blandos como la silicona: deben imprimirse mientras están en estado líquido y luego solidificarse irreversiblemente.

¿Cómo se puede crear una forma compleja en 3D a partir de un líquido sin terminar en un charco o una masa que se desploma?

Para este fin, los investigadores desarrollaron un enfoque amplio llamado impresión 3D integrada. Con esta técnica, la “tinta” se deposita dentro de un baño de un segundo material de soporte diseñado para fluir alrededor de la boquilla de impresión y atrapar la tinta en el lugar justo después de que la boquilla se aleja. Esto permite a los usuarios crear formas complejas a partir de líquidos manteniéndolos atrapados en un espacio tridimensional hasta que llega el momento de solidificar la estructura impresa. La impresión 3D integrada ha resultado eficaz para estructurar una variedad de materiales blandos como hidrogeles, micropartículas e incluso células vivas.

Sin embargo, imprimir con silicona sigue siendo un desafío. La silicona líquida es un aceite, mientras que la mayoría de los materiales de soporte son a base de agua. El aceite y el agua tienen una alta tensión interfacial, que es la fuerza impulsora por la cual las gotas de aceite adquieren formas circulares en el agua. Esta fuerza también hace que las estructuras de silicona impresas en 3D se deformen, incluso en un medio de soporte.

Peor aún, estas fuerzas interfaciales hacen que las características de silicona de pequeño diámetro se rompan en gotas a medida que se imprimen. Se han realizado muchas investigaciones para fabricar materiales de silicona que se puedan imprimir sin soporte, pero estas importantes modificaciones también modifican las propiedades que interesan a los usuarios, como la suavidad y elasticidad de la silicona.

Como investigadores que trabajan en la interfaz de la física de la materia blanda, la ingeniería mecánica y la ciencia de los materiales, decidimos abordar el problema de la tensión interfacial desarrollando un material de soporte hecho de aceite de silicona.

Razonamos que la mayoría de las tintas de silicona serían químicamente similares a nuestro material de soporte de silicona, lo que reduciría drásticamente la tensión interfacial, pero también lo suficientemente diferentes como para permanecer separadas cuando se unieran para la impresión 3D. Creamos muchos materiales de soporte candidatos, pero descubrimos que el mejor enfoque era hacer una emulsión densa de aceite de silicona y agua. Se puede pensar en ello como una mayonesa cristalina, hecha de microgotas de agua empaquetadas en un continuo de aceite de silicona. A este método lo llamamos fabricación aditiva con tensión interfacial ultrabaja, o AMULIT.

Con nuestro medio de soporte AMULIT, pudimos imprimir silicona disponible en el mercado en alta resolución, creando características tan pequeñas como 8 micrómetros (alrededor de 0,0003 pulgadas) de diámetro. Las estructuras impresas son tan elásticas y duraderas como sus contrapartes moldeadas tradicionalmente.

Estas capacidades nos permitieron imprimir en 3D modelos precisos de los vasos sanguíneos del cerebro de un paciente basados ​​en un escaneo 3D, así como un modelo de válvula cardíaca en funcionamiento basado en la anatomía humana promedio.

La silicona es un componente fundamental de innumerables productos, desde bienes de consumo cotidiano como utensilios de cocina y juguetes hasta tecnologías avanzadas en las industrias electrónica, aeroespacial y de atención médica.

Los productos de silicona generalmente se fabrican vertiendo o inyectando silicona líquida en un molde y retirando el molde después de la solidificación. El costo y la dificultad de fabricar moldes de alta precisión limitan a los fabricantes a productos con sólo unos pocos tamaños, formas y diseños predeterminados. Quitar delicadas estructuras de silicona de los moldes sin dañarlas es una barrera adicional, y los defectos de fabricación aumentan cuando se moldean estructuras muy complejas.

Superar estos desafíos podría permitir el desarrollo de tecnologías avanzadas basadas en silicona en la industria del cuidado de la salud, donde los implantes personalizados o las imitaciones de estructuras fisiológicas específicas para cada paciente podrían transformar la atención.