Valentine Ananikov, Moskovan orgaanisen kemian Zelinsky-instituutissa työskentelevä kemisti, suorittaa kemiallisia reaktioita, jotka ovat niin herkkiä, että pelkkä jälki metallisista nanohiukkasista, jotka ovat pienempiä kuin bakteeri, voi muuttaa hänen tuloksiaan. Kun hänen laboratorionsa saa kokeen valmiiksi, se on puhdistettava perusteellisesti. Tai ainakin ennen oli. Vuonna 2016 Ananikov alkoi luoda sen sijaan kertakäyttöisiä reaktioastioita. Tässä hän luottaa teknologiaan, joka on herättänyt niin tee-se-itse-hakkereiden, insinöörien kuin tiedemiestenkin mielikuvituksen: 3D-tulostus.
3D-tulostuksessa, joka tunnetaan myös nimellä additiivinen valmistus, 3D-tietokonemalli muutetaan fyysiseksi esineeksi kerros kerrokselta, kuten kakun kuorrutus. Ananikovin tiimi käyttää teknologiaa luodakseen räätälöityjä kemiallisia reaktoreita muutamassa päivässä sen sijaan, että odottaisi viikkoja tai enemmän, että ulkopuolinen myyjä valmistaisi ja toimittaisi ne. Mikä vielä tärkeämpää, muovin 3D-tulostuksen kustannukset ovat niin alhaiset, että ryhmällä on varaa pitää laitteita kulutushyödykkeinä, joita käytetään kerran ja heitetään sitten pois, eikä niitä tarvitse puhdistaa. ”Poikkitieteellisiä hankkeita käsitteleville tutkimuslaboratorioille”, Ananikov sanoo, ”3D-tulostus on nykyään eräänlainen vakioväline.”
3D-tulostimet on otettu laajalti käyttöön niin sanotun ”maker-kulttuurin” jäsenten koulutuksessa ja innovatiivisten esineiden luomisessa. Niistä on kuitenkin tulossa yhä useammin vakiovarusteita myös tieteellisissä laboratorioissa. Tutkijat voivat käyttää niitä rikkoutuneiden instrumenttien osien korvaamiseen, räätälöityjen näytetelineiden rakentamiseen ja kaikenlaisen mallintamiseen biologisista molekyyleistä öljyä sisältäviin kallioihin. Kliinikot voivat käyttää niitä implanttien ja opetusmallien luomiseen.
Objekteja voidaan tulostaa 3D-tulostamalla useilla eri tekniikoilla, mutta yksi laajimmin levinneistä on fused-filament fabrication (FFF), jota kutsutaan myös fused-deposition-mallinnukseksi. FFF-tulostimissa kapea, värillinen filamentti – tyypillisesti muovilanka – kuumennetaan ja puristetaan, jolloin muoto muodostuu kerros kerrallaan. Sitä vastoin vanhemmissa stereolitografiatulostimissa käytetään nestemäistä valolla aktivoitua hartsia, joka kovetetaan laserilla tarkkoihin muotoihin. FFF-tulostimilla tuotetaan yleensä vähemmän yksityiskohtaisia esineitä kuin stereolitografiatulostimilla, mutta ne ovat helpompia ja halvempia käyttää.
Kaupallisia FFF-tulostimia voi hankkia satojen ja tuhansien dollarien välillä. Tai tutkijat voivat rakentaa laitteiston itse sarjoilla tai avoimen lähdekoodin RepRap-projektin malleilla muutamalla sadalla dollarilla.
3D-tulostus ei ole uutta: stereolitografiatulostimia on ollut olemassa jo 1980-luvulta lähtien. Mutta laskevat hinnat ovat tehneet teknologiasta laajalti saatavilla olevaa. Alla on neljä tapaa, joilla tutkijat ovat hyödyntäneet 3D-tulostusta.
Laitteet liikkeellä
Julian Stirling, fyysikko Bathin yliopistossa Yhdistyneessä kuningaskunnassa, kuuluu ryhmään, joka suunnitteli valomikroskooppeja, jotka voidaan valmistaa 3D-tulostetuista muoviosista. Ajatuksena on rakentaa ne kentällä Tansaniassa ja käyttää niitä malarian diagnosointiin etsimällä loisia verestä. Tansaniassa on pulaa asiantuntevista mekaanikoista ja paikallisista komponenteista tieteellisten laitteiden korjaamiseen, hän sanoo, ja komponenttien tuonti voi olla kallista ja aikaa vievää. 3D-tulostamalla osia paikalliset lääkärit ja tutkijat voivat korjata mikroskooppejaan nopeammin ja halvemmalla. Eräs paikallinen yritys Tansaniassa on jopa luonut FFF-tulostimia elektroniikkaromusta ja muista paikallisista materiaaleista, hän lisää.
Monet verkkosivustot, kuten Thingiverse ja MyMiniFactory, tarjoavat foorumeita, joilla tutkijat voivat jakaa tietokonemalleja tulostettavista osista. Stirlingin kokemuksen mukaan näillä sivustoilla olevat mallit ovat kuitenkin usein epätäydellisiä, koska niistä puuttuu joko tiettyä projektia koskeva dokumentaatio tai keskeiset tiedostot mallien muokkaamista varten. Tämän vuoksi hänen ryhmänsä luo mallinsa tyhjästä käyttäen OpenSCAD-nimistä avoimen lähdekoodin ohjelmointikieltä. Heidän mikroskooppinsa voidaan tulostaa kokonaan 3D-tulostamalla kameraa, moottoreita ja linssejä lukuun ottamatta.
Kun kyseessä on 3D-tulostus, on helppo tehdä virheitä, Stirling sanoo. Mutta koska tekniikka on nopeaa ja edullista, on helppoa iteroida malleja. ”Kokemusta voi kartuttaa vain kokeilemalla ja erehtymällä”, hän toteaa.
Käytäntö on opettanut Stirlingille, että on suuri ero 3D-tulostimen käytön välillä laboratoriossa ja kentällä. Muovifilamentin 3D-tulostaminen Tansanian kosteassa ilmastossa on tyypillisesti vaikeampaa kuin ilmastoidussa laboratoriossa, koska kosteus vaikuttaa muovifilamenttiin, mikä johtaa useampiin epäonnistuneisiin tulosteisiin. Lisäksi sähkökatkokset eivät ole harvinaisia, ja vain jotkut tulostimet voivat jatkaa puolivalmiin esineen tulostamista, kun sähköt on palautettu. Stirling ja hänen tiiminsä eivät voi paljoa tehdä ilmastolle, mutta he käyttävät keskeytymättömiä virtalähteitä varmistaakseen, että heidän tulostustyönsä kulkevat loppuun asti, hän sanoo.
Elämänkaltaiset elimet
Ahmed Ghazi, urologinen kirurgi Rochesterin lääketieteellisessä keskuksessa New Yorkissa sijaitsevassa Rochesterin yliopiston lääketieteellisessä tutkimuskeskuksessa, käyttää 3D-tulostusta luodakseen epäkunnossa olevia ihmiselimiä, joita kirurgit voivat käyttää harjoitteluunsa harjoittelemaan robottikirurgiaa. Suhteellisen yksinkertaisissa toimenpiteissä, kuten pernan poistossa, tällaiselle harjoittelulle ei ole juurikaan tarvetta. Monimutkaisemmat toimenpiteet, kuten kasvaimen poisto, voivat kuitenkin vaihdella suuresti potilaskohtaisesti. Kuten Ghazi toteaa: ”Kasvaimia ei ole oppikirjoissa.”
Ghazi aloittaa potilaan kudoksen 3D-tietokonetomografiakuvauksista ja syöttää sitten tiedot kaupalliseen lääketieteelliseen mallinnusohjelmistoon Mimics, jonka valmistaja on Materialise Belgiassa Leuvenissa sijaitsevasta yrityksestä, ja Meshmixeriin, joka on Autodeskin San Rafaelissa Kaliforniassa sijaitsevan yrityksen maksuton työkalu, 3D-mallien luomiseksi. Sitten hän tulostaa nämä mallit onttoina muovimuotteina FFF-tulostimella, lisää niihin verisuonten jäljennöksiä, jotka liitetään tekoveripumppuun, ja ruiskuttaa muottiin hydrogeeliä, joka jähmettyy elimellisen jäykäksi esineeksi. Tuloksena syntyvät rakenteet ovat riittävän realistisia, jotta kirurgit voivat harjoitella toimenpiteitä, joilla on todellisia seurauksia, kuten verenvuotoa.
Ghazi kertoo, että hän ja hänen ryhmänsä käyttävät näitä malleja jopa neljään leikkaustapaukseen viikossa. Kussakin tapauksessa he luovat malleista kaksi kopiota ja valitsevat niistä tarkimman esityksen. Ja he kouluttavat muita lääkäreitä soveltamaan teknologiaa esimerkiksi sydän- ja maksaleikkauksissa. ”Tämä on ehdottomasti jotain, joka on yleistymässä”, Ghazi sanoo.
Mutta puutteita on vielä jäljellä. FFF-tulostimilla tuotetuissa muoteissa on usein pieniä harjanteita ja kuoppia, Ghazi sanoo. Tällaiset viat ovat usein liian pieniä paljain silmin havaittaviksi, mutta ne näkyvät selvästi robottikameralle, mikä voi vaikuttaa kirurgin kokemukseen. Ghazin ratkaisu on levittää muotin sisäpuolelle kerros huoneenlämpöistä vahaa, joka täyttää harjanteet ja kuopat ja tasoittaa näin lopputuotteen. ”Noilla pienillä asioilla on merkitystä”, hän sanoo.
Replikat kivistä
Mehdi Ostadhassanille, joka työskentelee öljyinsinöörinä Grand Forksissa sijaitsevassa Pohjois-Dakotan yliopistossa, 3D-tulostus tarjoaa työkalun, jolla voidaan optimoida öljyn ja kaasun louhintaa kalliosta.
Ostadhassan tulostaa ”kiviä” käyttämällä ohjelmia, kuten OpenSCAD ja kaupallinen 3D-tietokoneavusteinen suunnitteluohjelma AutoCAD (Autodesk), yhdistettynä erilaisiin 3D-tulostimiin ja materiaaleihin. Näillä kalliomalleilla on realistiset fysikaaliset ominaisuudet, mukaan lukien pienet, yksityiskohtaiset huokoset, ja Ostadhassan asettaa ne fyysisen rasituksen alaisiksi ymmärtääkseen paremmin, miten neste virtaa niiden tosielämän vastineiden läpi.
Luodakseen mahdollisimman realistisia kiviä Ostadhassan käyttää erilaisia tulostusmenetelmiä, kuten sideaine-suihkutekniikkaa, jossa nestemäinen sideaine levitetään kerros kerrokselta kipsijauheeseen tai kvartsihiekkaan. Prosessi tuottaa esineitä, joiden mekaaniset ominaisuudet jäljittelevät tarkasti todellisten kivien ominaisuuksia. Ostadhassanin mukaan sitoutumaton jauhe voi kuitenkin juuttua huokosiin, mikä heikentää lopputuotteen laatua. Joissakin kokeissa hän joutuu käyttämään vettä hylkivää käsittelyä saadakseen ”kostutettavuuden” kuntoon. Stereolitografiatulostimilla voidaan paremmin tulostaa kiviä, joissa on yksityiskohtaiset huokoset, jotta voidaan tutkia nesteen virtausominaisuuksia, mutta niiden tuottamat mallit eivät ole yhtä vahvoja kuin sideaineella tulostetut kivet.
Ostadhassan tekee yhteistyötä muiden tutkijoiden kanssa kehittääkseen räätälöidyn tulostimen, joka voi jäljitellä näitä huokosia ja halkeamia, mutta tuottaa silti malleja, joilla on sama mekaaninen lujuus kuin oikeilla kivillä.
Raskas metalli
Nykyaikaisilla 3D-tulostimilla voidaan tulostaa erilaisia materiaaleja – mutta ei kaikkia. ”3D-tulostuksessa käytettävät materiaalit ovat hyvin, hyvin rajallisia”, sanoo Yang Yang, Kiinan Shenzhenissä sijaitsevan UniMakerin toimitusjohtaja, joka valmistaa 3D-tulostimia tieteelliseen käyttöön. Alan tutkimus on kuitenkin vilkasta, ja muutos on tulossa. Yksi kuuma kasvualue on biotulostus, jota käytetään rakenteellisten biologisten materiaalien luomiseen. Jin-Ye Wang, biolääketieteen tutkija Shanghain Jiao Tong -yliopistossa Kiinassa, kertoo, että hänen laitoksensa on hankkinut yhden tällaisen laitteen käytettäväksi luokkahuoneessa. Näissä biotulostimissa soluja ja hydrogeelejä sekoitetaan luiden ja kasvainmallien kaltaisten rakenteiden luomiseksi.
Yangin mukaan toinen kasvava alue ovat metallit. Metallikykyiset tulostimet käyttävät elektronisuihkua tai laseria sulattamaan metallijauheita määriteltyihin kuvioihin. Perthissä sijaitsevan Länsi-Australian yliopiston fyysikko Jeremy Bourhill, joka tutkii pimeää ainetta, tutkii laserpohjaisten 3D-metallitulostimien käyttöä suprajohtavan niobiumverkon rakentamiseen. Sitä voitaisiin käyttää estämään voimakkaita magneettikenttiä, jotka häiritsisivät pimeän aineen havaitsemista, Bourhill sanoo.
Tavanomaisen työstön käyttäminen verkon luomiseen vaatisi myrkyllisiä voiteluaineita ja tuhlaisi huomattavan määrän niobia, joka on kallista. Niinpä Bourhillin ryhmä käyttää tehokkaita lasereita sulattamaan ja sulattamaan metallijauheen poikkileikkauksia yhteen. Mutta koska niobiumin sulamispiste on noin 2 500 °C, prosessi vaatii huomattavan paljon energiaa. ”Niobium on todella kova materiaali”, Bourhill sanoo.
Aikanaan Bourhillin kaltaisten tutkijoiden mahdollisuudet olisivat olleet rajalliset. Mutta 3D-tulostimien lisääntyneen saatavuuden myötä on tapahtunut perustavanlaatuinen muutos, sanoo Kiinan Wuhanissa sijaitsevan Huazhongin tiede- ja teknologiayliopiston materiaali-insinööri Yusheng Shi: 3D-tulostus mahdollistaa yksilöllisen valmistuksen, joka syrjäyttää keskitetyn valmistuksen. Kuten nämä esimerkit osoittavat, tutkijat ovat vasta raapaisseet pintaa siitä, mitä tällä teholla voidaan tehdä.