پرینت سه‌بعدی در مقیاس ریز

این مطلب یکی از مقالات پرونده ویژه «چشم‌انداز فناوری در سال 2015» است. برای دریافت کل این پرونده ویژه اینجا را کلیک کنید. 

دستاورد
پرینت سه‌بعدی با استفاده از چند ماده خاص که خلق اشیایی همچون بافت بیولوژیک با رگ‌های خونی را ممکن می‌سازد.

 اگر پرینترهای سه‌بعدی امکان استفاده از انواع جنس‌ها را داشته باشند، چه می‌شود؟ از سلول‌های زنده گرفته تا نیمه‌رساناها، نقش «جوهرهایی» را بازی کنند که با دقت ترکیب و منطبق می‌شوند.

شکل دادن دقیق به جوهرهایی با جنس‌های مختلف، گستره اشیا قابل پرینت را توسعه بسیاری داده است.

جنیفر لوییس، دانشمند مواد در دانشگاه هاروارد است که سعی دارد با توسعه شیمی و دستگاه‌ها این امر را ممکن سازد. او فرم‌های درهم تنیده و پیچیده‌ای را پرینت می‌گیرد و با دقت مواد خاصی را به آن‌ها اضافه می‌کند که برای خواص مکانیکی، رسانا بودن یا ویژگی‌های نوری آن‌ها کارآمد هستند. چنین دستاوردی به این معنا است که فناوری پرینت سه‌بعدی امکان ساخت اشیایی را فراهم خواهد کرد که محیط خود را احساس می‌کنند و به آن واکنش نشان می‌دهند. لوییس می‌گوید: «ادغام فرم و عملکرد قدم بزرگ بعدی است که باید در پرینت سه‌بعدی به‌وقوع بپیوندد.»

گروهی در دانشگاه پرینستون با ترکیب بافت‌های بیولوژیک و الکترونیکی یک گوش مصنوعی پرینت گرفته‌ و گروه دیگری در دانشگاه کمبریج سلول‌های شبکیه‌ای را پرینت گرفته‌اند تا بافت پیچیده چشم را شکل دهد. اما با وجود چنین تلاش‌های قابل توجهی برای گسترش امکانات پرینت سه‌بعدی، آزمایشگاه لوییس همچنان روی تنوع مواد و انواع اشیا قابل پرینت تأکید دارد.

 اگر پرینترهای سه‌بعدی امکان استفاده از انواع جنس‌ها را داشته باشند، چه می‌شود؟ از سلول‌های زنده گرفته تا نیمه‌رساناها، نقش «جوهرهایی» را بازی کنند که با دقت ترکیب و منطبق می‌شوند.

لوییس و دانشجوهایش سال گذشته نشان دادند که می‌توانند الکترودهای ميكروسكوپى‌ و دیگر اجزای مورد نیاز ساخت باتری‌های کوچک لیتیوم یونی را پرینت بگیرند. پروژه دیگری نیز شامل پرینت حس‌گرهایی می‌شود که روی برچسب‌های پلاستیکی چسبانده می‌شوند. ورزشکاران برچسب‌های مذکور را روی بدن خود می‌چسبانند تا آسیب احتمالی ردیابی و شدت برخوردهای خشن ارزیابی شود. گروه لوییس به‌تازگی از یک بافت بیولوژیک پرینت گرفته که شبکه‌ای از عروق خون در آن بافته شده است. برای دست‌یابی به این امر پژوهش‌گران باید جوهری می‌ساختند که از انواع مختلفی از سلول‌ها و مواد شکل‌دهنده ماتریس پشتیبان تشکیل شده بود.
چنین فعالیت‌هایی به همان چالش همیشگی در ایجاد اعضای مصنوعی برای آزمایش دارو یا جایگزینی بر می‌خورند. چگونه یک سیستم عروقی بسازیم که سلول‌ها را زنده نگه دارد؟ گروه لوییس در یک آزمایشگاه زیرزمینی که در چند کیلومتری دفتر او واقع شده، یک پرینتر سه‌بعدی سرهم کرده است که به میکروسکوپ مجهز است. این میکروسکوپ توانایی پرینت دقیق ساختارهایی به کوچکی یک میکرومتر را دارد 
(قطر یک گلبول قرمز خون انسان ده میکرومتر است). یک پرینتر سه‌بعدی بزرگ‌تر نیز است که از نازل‌هایی با منفذهای چندگانه برای چاپ چند جوهر به‌صورت هم‌زمان استفاده می‌کند. این دستگاه می‌تواند یک نمونه یک‌ متری با ساختار میکروسکوپی دلخواه را ظرف مدت چند دقیقه بسازد. راز ساخته‌های لوییس در جوهرهایی نهفته است که خواصشان به آن‌ها اجازه می‌دهد طی یک فرآیند واحد هم‌زمان چاپ شوند. هر جوهر جنس متفاوتی دارد، اما همگی می‌توانند در دمای اتاق چاپ شوند. مواد مختلف چالش‌های متفاوتی ایجاد می‌کنند. به‌عنوان مثال، سلول‌ها ظریف هستند و وقتی از درون نازل پرینتر به بیرون رانده می‌شوند، به‌راحتی ممکن است نابود شوند. در هر صورت، همه مواد باید طوری فرموله شده باشند که زیر فشار، از درون نازل به بیرون جریان یابند و پس از خروج، فرم مورد نظر را به خود بگیرند. لوییس خمیر دندان را مثال می‌زند.

لوییس و دانشجوهایش سال گذشته نشان دادند که می‌توانند الکترودهای ميكروسكوپى‌ و دیگر اجزای مورد نیاز ساخت باتری‌های کوچک لیتیوم یونی را پرینت بگیرند.

لوییس قبل از آن‌که از دانشگاه ایلینوی به هاروارد بیاید، بیش از یک دهه را صرف تکنیک‌های پرینت سه‌بعدی با سرامیک، نانوذره‌های فلزی، پلیمر و دیگر مواد غیربیولوژیک کرده است. وقتی او آزمایشگاه جدید خود را در هاروارد تأسیس و برای نخستین بار کار با سلول‌ها و بافت‌های بیولوژیک را آغاز کرد، امید داشت که با آن‌ها همچون مواد ساخته‌ شده از ذرات مصنوعی کار کند. اما اکنون می‌داند که آن ایده کمی ساده‌اندیشانه بوده است. ساخت عروق خونی یک قدم نویدبخش به‌سوی بافت‌های مصنوعی با توانایی‌های پیچیده یک عضو بیولوژیک به حساب می‌آید. لوییس اکنون می‌داند که کار با سلول‌ها بسیار پیچیده است. او می‌گوید: «کارهای بسیار زیادی است که پیش از رسیدن به امکان ساخت یک کبد یا کلیه مصنوعی باید انجام دهیم. اما قدم نخست را برداشته‌ایم.»

چاپ شکل‌های پیچیده

 آزمایشگاه لوییس برای نشان دادن توانایی‌‌ آن در زمینه پرینت سه‌بعدی چندجنسی، یک شبکه پیچیده با جوهرهای متفاوت ساخته است.

  گروه برای نمایش، چهار پلیمر متفاوف را با رنگ‌های مختلف فرموله کردند.

 جوهرهای مختلف در سرهای پرینت استاندارد قرار گرفتند.

پرینتر با خارج کردن دقیق و مرتب جوهر تحت کنترل نرم‌افزار مخصوص با سرعت شبکه رنگین را ساخت.

جوهرهای نانوسیلور و حس‌گرهای انعطاف‌پذیر

جوهرهایی از جنس نانوذره‌های نقره برای چاپ الکترودهایی به کوچکی چند میکرومتر استفاده می‌شوند.

همانند دیگر فرآیندهای پرینت سه‌بعدی عملیات با استفاده از کامپیوتر نظارت و کنترل می‌شود.

 هدف جنیفر لوییس چاپ معماری‌های پیچیده‌ای است که فرم و عملکرد را با یکدیگر ادغام می‌کنند.

یک دستکش مجهز به حس‌گرهای فشار که با استفاده از چاپ الکترودها درون مواد کش‌سان ساخته شده است.

شمارش سرعت

بزرگ‌ترین پرینتر آزمایشگاه لوییس توانایی ساخت اشیایی در ابعاد یک متر در یک متر را دارد.

پرینتر برای چنین کارهایی از یک آرایه 64 یا 128 نازلی استفاده می‌کند تا سرعت کار افزایش یابد.

 یک نمونه آزمایشی که ریزساختاری لایه‌ای بود، با استفاده از مواد مومی در چند دقیقه ساخته شد.