Un estudiante descubre la tinta imprimible en 3D que "todo el mundo estaba buscando", dice un profesor de física

Apr 18, 2024

21 de abril de 2023

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por Mary Kate Brogan, Universidad de la Commonwealth de Virginia

Encontrar una tinta imprimible en 3D que conduzca electricidad, pero que sea resistente, flexible y estirable, ha sido el objetivo de los científicos de materiales de todo el mundo desde que comenzó la impresión 3D, dice Daeha Joung, Ph.D., profesora asistente en el Departamento de Física de Facultad de Humanidades y Ciencias de la Virginia Commonwealth University.

Así que el año pasado, cuando Andy Shar entró en su laboratorio ansioso por buscar la solución, Joung se mostró aprensivo pero le dio a Shar una oportunidad. Y está agradecido de haberlo hecho.

"Yo mismo estaba tratando de encontrar esa tinta", dijo Joung. "Pero de alguna manera, Andy descubrió la receta".

El descubrimiento ha abierto nuevas oportunidades para Shar, ahora estudiante de segundo año con especialización en biología en la Facultad de Humanidades y Ciencias y con especialización en estudios religiosos en la Escuela de Estudios Mundiales. Ha estado trabajando con Joung y su equipo de investigación a través del Programa de Oportunidades de Investigación de Pregrado de VCU.

Junto a Phillip Glass, estudiante de Ph.D. En el programa de nanociencia y nanotecnología, Shar ha publicado dos artículos académicos, incluido uno en la revista Advanced Functional Materials del que fue primer autor. También presentó otro, además de un capítulo de libro, y ha sido invitado a presentar conferencias sobre el descubrimiento.

"El material que descubrimos era un compuesto de silicona (polidimetilsiloxina o PDMS) y dispersamos nanotubos de carbono, o CNT, dentro de esa silicona, lo cual es algo un poco difícil de hacer", dijo Shar. "Utilizamos una técnica bastante simple y respetuosa con el medio ambiente para hacerlo, que puede ocurrir a temperatura ambiente. El proceso de fabricación, que es sencillo, permite que sea accesible para otras personas y tal vez incluso para empresas que quieran utilizarlo comercialmente".

Joung, Shar y Glass continúan utilizando la tinta imprimible en 3D en el desarrollo de dispositivos personalizables para monitorear la salud del paciente y de piel electrónica, o eSkin, sensores portátiles para detectar el movimiento de las articulaciones o monitorear la salud cardíaca y respiratoria.

"En lo que el Dr. Joung ha sido realmente pionero es en el uso de la impresión 3D para crear estructuras que puedan simular la arquitectura de la médula espinal", dijo Shar. Él y Joung esperan que esta tecnología, dotada de información bioimpresa que permitiría que las células vuelvan a crecer, pueda ayudar a las personas con lesiones de la médula espinal a recuperar la función sensorial y motora.

Aquí, estudiante y mentor comparten ideas sobre lo que aprendieron trabajando juntos.

Comenzaré desde el principio y abordaré lo que me atrajo del laboratorio del Dr. Joung en primer lugar: [mi] experiencia pasada con la investigación en la escuela secundaria. Siempre me han gustado mucho las cosas prácticas, y la ciencia de materiales y la nanotecnología fueron dos de mis principales intereses al ingresar a VCU. Así que me gustó cómo incorporó eso con la impresión 3D (que era algo que nunca había hecho antes pero que también me entusiasmaba usar) con aplicaciones biológicas. Tengo la intención de dedicarme al campo de la medicina, por lo que sería algo que se relacionaría con mi futura profesión. Definitivamente eso fue algo de interés.

Para ese proyecto específico, comencé trabajando con Phillip Glass, que es un estudiante de posgrado en física, en su proyecto, y se convirtió en una progresión natural porque lo estaba ayudando. Tenía cierto interés en la química y el proceso de elaboración de la tinta y del material. Y mientras lo ayudaba, decidí hacer mis propias pruebas. Y realmente le doy crédito al Dr. Joung por brindarme la flexibilidad y la independencia para hacerlo. Estaba experimentando y una vez que encontré una tinta que pensé que funcionaría, decidimos que si era lo suficientemente única y tenía ciertas ventajas sobre lo que se veía en la literatura, entonces podríamos escribir un artículo sobre ella. Entonces investigué más allí.

Hubo algunas cosas que saqué de esto. Definitivamente conocimiento, aprendizaje sobre el aspecto de la ciencia de los materiales, muchas lecciones de perseverancia. Se necesitaron docenas de ensayos: el Dr. Joung ha visto mi conjunto de viales con cientos de intentos fallidos. Entonces, simplemente poder aprender de tus errores pasados. Y no me di por vencido, porque sabía que estaba cada vez más cerca del resultado final.

Esa fue realmente una lección que aprendí y también pienso en el trabajo en equipo. Como grupo, celebramos reuniones donde presentamos nuestros hallazgos, para que aprendan habilidades de comunicación, cómo interactuar con el grupo, cómo trabajar con diferentes (tecnologías): cómo usar el pórtico, cómo usar el analizador de textura, diferentes máquinas, y luego difundir ese conocimiento también y enseñar a otras personas que se unan al laboratorio cómo usar esas mismas máquinas.

Y luego, gracias al proyecto, también he podido presentar en múltiples conferencias, por ejemplo, el Simposio UROP, que presentaré esta primavera, y la conferencia anual de la Red de Investigación de Pregrado en Virginia en la Universidad Christopher Newport. , que fue en enero. Ser capaz de presentar al público y explicarles nuestros hallazgos en términos que puedan entender es definitivamente una habilidad que he aprendido.

Del Dr. Joung, aprendí realmente cómo ser un IP [investigador principal] eficaz. Se trata de la coordinación de un equipo eficaz y de fomentar realmente el trabajo en equipo y de asegurarse de que todos sigan involucrados, de que todos vayan a un ritmo que les resulte cómodo, pero también de esforzarse un poco. Recuerdo que el Dr. Joung me ayudaba cada vez que ciertos ensayos no salían como quería y luego también me establecía ciertos plazos, se aseguraba de que los cumpliera y me animaba a hacer lo mejor que pudiera.

Recuerdo que, especialmente durante el verano, estaba allí entre 15 y 20 horas a la semana. Y realmente estábamos tratando de publicar el artículo. Al final, hubo mucha recopilación de datos y mucha escritura. Y le doy crédito al Dr. Joung por coordinarnos a Phillip y a mí, y por asegurarse de que hiciéramos todo a tiempo y que la gestión del tiempo no fuera un problema. Definitivamente esa es una lección que aprendí de él.

La tecnología eSkin es el futuro de los dispositivos portátiles. Entonces, lo que Andy, Phillip y yo descubrimos es que las pieles electrónicas imprimibles en 3D pueden ser útiles para pacientes que padecen enfermedades de la piel. O podemos tener uno que monitoree la salud para que sea un sistema donde podamos imprimir directamente en 3D en órganos humanos. De hecho, podemos ofrecer nuevas opciones terapéuticas. [Como físico] no los voy a utilizar directamente con los pacientes. Sin embargo, esta tecnología podrá trasladarse al quirófano en el futuro. Entonces los pacientes pueden tener la ventaja de utilizar esta tecnología. Ese es nuestro objetivo a largo plazo para este proyecto.

Digamos que desarrollamos un dispositivo electrónico imprimible en 3D o un dispositivo flexible portátil. Ahora queremos conectar esta tecnología con el proyecto de regeneración de la médula espinal. Con la regeneración de la médula espinal siempre hay problemas debido a la complejidad estructural, ¿verdad? Entonces una de las opciones terapéuticas es la terapia con células madre y estimulación eléctrica. Lo que Andy está haciendo es aumentarlo. Como mencionó Andy, soy un pionero en la impresión de células madre para la regeneración de lesiones de la médula espinal. Ahora Andy está combinando estas tecnologías de impresión de células madre y esta electrónica flexible.

Queremos probar cómo estos dos elementos diferentes de la tecnología pueden combinarse para crear una nueva oportunidad para la regeneración de la médula espinal. Todo está algo relacionado. Como físicos, científicos de materiales e ingenieros, nuestro objetivo a largo plazo es producir y proporcionar nuevas opciones terapéuticas y posibles aplicaciones futuras para los tratamientos.

Incluso antes de que Andy se uniera, estuve trabajando en la impresión 3D de electrónica flexible. Pero la cuestión es que todos los investigadores del mundo tienen el problema de imprimir tinta flexible y conductora. Creo que Andy pasó unos cuatro o cinco meses [en ello].

Hizo el arduo trabajo de desarrollar la tinta que todos, casi todos los investigadores de impresión 3D, buscaban. Luego, Phillip, nuestro estudiante de posgrado, amplió las capacidades de la tinta y la aplicó a dispositivos portátiles impresos en 3D. Es por eso que su artículo se encuentra en una de las revistas de ciencia de materiales de primer nivel. Cuando hablamos de este artículo, cada vez que menciono que el primer autor de este artículo es un estudiante de segundo año, la gente se sorprende. En base a esto, recibimos muchas invitaciones a conferencias. Este es un trabajo asombroso.

Aunque Andy es estudiante de pregrado, hay muchas cosas que aprendí de él, pero lo principal fue que había dudado de mí mismo: "¿Puedo darle un proyecto independiente a un estudiante de pregrado?" En general, muchos IP no ofrecen proyectos independientes a los estudiantes universitarios, pero Andy quería ser muy independiente. De hecho, me enfatizó: "Puedo hacerlo. Puedo hacerlo". Tenía un poco de dudas la primera vez; sin embargo, vi su motivación, por eso le di proyectos independientes. Hizo un gran trabajo y continuamente le doy proyectos muy independientes.

La forma en que he entrenado a Andy es como la de un estudiante de posgrado. Entonces, para mí, Andy y los demás estudiantes de posgrado, nuestra capacitación para Andy es la misma.

Más allá del conocimiento que ha desarrollado y del descubrimiento de la tinta, Andy es un estudiante-investigador muy motivado, por lo que tiene un fuerte sentido de responsabilidad. La investigación no se trata sólo de ser inteligente. La investigación trata de dónde obtienes la motivación y qué te emociona. Andy es un estudiante de pregrado y de segundo año que quiere postularse para la escuela de medicina, especialmente para MD-Ph.D. programas. Le doy mucho crédito a Andy; considere lo ocupado que está; sin embargo, todavía pasa mucho tiempo en el laboratorio. Pude ver eso. Pude ver que está muy emocionado y disfruta su tiempo en el laboratorio de investigación. Siempre está sonriendo y siempre tiene energía para afrontar nuevos desafíos.

Entonces, volviendo a la pregunta de lo que aprendí de Andy: la motivación es el factor más importante para tener éxito en la investigación.

Más información: Andy Shar et al, Tinta de elastómero de nanotubos de carbono de un componente imprimible en 3D para aplicaciones de monitoreo de la salud, Materiales funcionales avanzados (2022). DOI: 10.1002/adfm.202211079

Información de la revista:Materiales funcionales avanzados

Proporcionado por la Universidad de la Commonwealth de Virginia