Sviluppato un nuovo gel per la stampa 3D

I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un nuovo gel per la stampa 3D e altri materiali morbidi.

Il nuovo documento, pubblicato su ACS Nano (1) descrive il potenziale per creare strutture complesse con precisione su scala nanometrica. Poiché molti gel sono compatibili con le cellule viventi, il nuovo metodo potrebbe far ripartire la produzione di piccoli dispositivi medici morbidi come sistemi di somministrazione di farmaci o elettrodi flessibili che possono essere inseriti nel corpo umano.

Una stampante 3D standard crea strutture solide creando fogli di materiale - tipicamente plastica o gomma - e costruendoli strato dopo strato, come una lasagna, fino a creare l'intero oggetto.

Usare una stampante 3D per fabbricare un oggetto fatto di gel è «un po' più di un delicato processo di cottura», ha detto il ricercatore del NIST Andrei Kolmakov. (2) Nel metodo standard, la camera della stampante 3D è riempita con una “zuppa” di polimeri a catena lunga - lunghi gruppi di molecole legate insieme - sciolti in acqua. Quindi vengono aggiunte le “spezie”, molecole speciali sensibili alla luce. Quando la luce della stampante 3D attiva quelle molecole speciali, uniscono le catene di polimeri in modo da formare una struttura simile a una rete. Questa impalcatura, ancora circondata da acqua liquida, è il gel.

In genere, le moderne stampanti gel 3D hanno utilizzato la luce laser ultravioletta o visibile per avviare la formazione dell'impalcatura in gel. Tuttavia, il dottor Kolmakov e i suoi colleghi hanno concentrato la loro attenzione su una diversa tecnica di stampa 3D per fabbricare gel, utilizzando fasci di elettroni o raggi X.

Poiché questi tipi di radiazioni hanno un'energia maggiore, o una lunghezza d'onda più corta, rispetto alla luce ultravioletta e visibile, questi fasci possono essere focalizzati più strettamente e quindi produrre gel con dettagli strutturali più fini. Tali dettagli sono esattamente ciò che è necessario per l'ingegneria dei tessuti e molte altre applicazioni mediche e biologiche. Gli elettroni e i raggi X offrono un secondo vantaggio: non richiedono un set speciale di molecole per avviare la formazione di gel.

Ma al momento, le sorgenti di questa radiazione a lunghezza d'onda corta strettamente focalizzata - microscopi elettronici a scansione e microscopi a raggi X - possono funzionare solo nel vuoto. Questo è un problema perché nel vuoto il liquido in ciascuna camera evapora invece di formare un gel.

Andrei Kolmakov e i suoi colleghi al NIST e all'Elettra Sincrotrone di Trieste, in Italia, hanno risolto il problema e hanno dimostrato la stampa 3D su gel nei liquidi posizionando una barriera ultrasottile - un sottile foglio di nitruro di silicio - tra il vuoto e la camera del liquido.

Il foglio sottile protegge il liquido dall'evaporazione (come farebbe normalmente nel vuoto) ma consente ai raggi X e agli elettroni di penetrare nel liquido. Il metodo ha consentito al team di utilizzare l'approccio della stampa 3D per creare gel con strutture fino a 100 nanometri (nm), circa 1.000 volte più sottili di un capello umano. Raffinando il loro metodo, i ricercatori si aspettano di imprimere sui gel strutture fino a 50 nm, le dimensioni di un piccolo virus.

Alcune strutture future realizzate con questo approccio potrebbero includere elettrodi iniettabili flessibili per monitorare l'attività cerebrale, biosensori per il rilevamento di virus, micro-robot morbidi e strutture in grado di emulare e interagire con le cellule viventi e fornire un mezzo per la loro crescita.

Riferimenti:

(1) Electron and X-ray Focused Beam-Induced Cross-Linking in Liquids: Toward Rapid Continuous 3D Nanoprinting and Interfacing using Soft Materials

(2) Andrei Kolmakov

Descrizione foto: L'illustrazione di un'interfaccia biocompatibile prospettica mostra che gli idrogel (tubi verdi), che possono essere generati da un processo di stampa 3D con fascio di elettroni o raggi X, agiscono come sinapsi o giunzioni artificiali, collegando i neuroni (marrone) agli elettrodi (giallo). - Credit: A. Strelcov/NIST.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: NIST Scientists Get Soft on 3D Printing