Valentine Ananikov, un chimico dell’Istituto Zelinsky di chimica organica a Mosca, esegue reazioni chimiche così delicate che solo una traccia di nanoparticelle di metallo, più piccola di un batterio, potrebbe cambiare i suoi risultati. Così, quando il suo laboratorio finisce un esperimento, è necessaria una pulizia rigorosa. O almeno, lo era. Nel 2016, Ananikov ha iniziato a creare vasi di reazione monouso. Per farlo, si affida a una tecnologia che ha catturato l’immaginazione di hacker fai-da-te, ingegneri e scienziati: La stampa 3D.
Nella stampa 3D, conosciuta anche come produzione additiva, un modello di computer 3D viene trasformato in un oggetto fisico strato per strato, come la glassa di una torta. Il team di Ananikov utilizza la tecnologia per creare reattori chimici su misura in pochi giorni, piuttosto che aspettare settimane o più per essere realizzati e spediti da un fornitore esterno. Ancora più importante, il costo della plastica per la stampa 3D è così basso che il gruppo può permettersi di trattare l’attrezzatura come materiale di consumo da utilizzare una volta e poi gettato via, senza necessità di pulizia. “Per i laboratori di ricerca che si occupano di progetti interdisciplinari”, dice Ananikov, “la stampa 3D è una sorta di strumento standard al giorno d’oggi.”
Le stampanti 3D sono state ampiamente adottate dai membri della ‘cultura maker’ per la formazione e la creazione di oggetti innovativi. Ma stanno diventando sempre più attrezzature standard anche nei laboratori scientifici. I ricercatori possono usarle per sostituire le parti rotte degli strumenti, costruire portacampioni personalizzati e modellare tutto, dalle molecole biologiche alle rocce contenenti petrolio. E i clinici possono usarli per creare impianti e modelli didattici.
Gli oggetti possono essere stampati in 3D usando diverse tecnologie, ma una delle più diffuse è la fabbricazione a filamento fuso (FFF), chiamata anche modellazione a deposizione fusa. Nelle stampanti FFF, un filamento stretto e colorato – in genere filo di plastica – viene riscaldato ed estruso, formando una forma uno strato alla volta. Al contrario, le vecchie stampanti stereolitografiche usano un serbatoio di resina liquida attivata dalla luce che viene indurita in forme precise con un laser. Le stampanti FFF tendono a produrre oggetti meno dettagliati delle stampanti stereolitografiche, ma sono più facili ed economiche da usare.
Le stampanti FFF commerciali possono essere acquistate per qualsiasi cosa da centinaia a migliaia di dollari. Oppure i ricercatori possono costruire da soli l’hardware con i kit o i progetti del progetto open-source RepRap per poche centinaia di dollari.
La stampa 3D non è nuova: le stampanti a stereolitografia esistono dagli anni ’80. Ma il calo dei prezzi ha reso la tecnologia ampiamente disponibile. Qui sotto ci sono quattro modi in cui i ricercatori hanno approfittato della stampa 3D.
Apparecchiature in movimento
Julian Stirling, un fisico dell’Università di Bath, Regno Unito, fa parte di un team che ha progettato microscopi luminosi che possono essere realizzati con componenti in plastica stampati in 3D. L’idea è di costruirli sul campo in Tanzania e usarli per diagnosticare la malaria cercando i parassiti nel sangue. La Tanzania ha una carenza di meccanici competenti e di componenti locali per la riparazione di attrezzature scientifiche, dice, e importare componenti può essere costoso e richiede tempo. Stampando le parti in 3D, i medici e gli scienziati locali possono riparare i loro microscopi in modo più rapido ed economico. Una ditta locale in Tanzania ha anche creato stampanti FFF da rifiuti elettronici e altri materiali locali, aggiunge.
Alcuni siti web, tra cui Thingiverse e MyMiniFactory, forniscono forum per gli scienziati per condividere modelli informatici di componenti stampabili. Ma nell’esperienza di Stirling, i modelli su questi siti sono spesso incompleti, mancando la documentazione per un particolare progetto o i file chiave per modificare i disegni. Di conseguenza, il suo team crea le sue costruzioni da zero, utilizzando un linguaggio di programmazione open-source chiamato OpenSCAD. I loro microscopi possono essere interamente stampati in 3D ad eccezione della fotocamera, dei motori e delle lenti.
Quando si tratta di stampa 3D, è facile fare errori, dice Stirling. Ma poiché la tecnologia è veloce e poco costosa, è semplice iterare i progetti. “Questa esperienza può essere costruita solo per tentativi ed errori”, osserva.
La pratica ha insegnato a Stirling che c’è una grande differenza tra usare una stampante 3D in laboratorio e farlo sul campo. La stampa 3D di filamento di plastica nel clima umido della Tanzania è tipicamente più difficile che in un laboratorio a clima controllato, perché l’umidità influisce sul filamento di plastica, portando a più stampe fallite. Inoltre, le interruzioni di corrente non sono rare, e solo alcune stampanti possono riprendere a stampare un oggetto mezzo finito dopo il ripristino della corrente. Non c’è molto che Stirling e il suo team possono fare per il clima, ma usano gruppi di continuità per garantire che i loro lavori di stampa vengano completati, dice.
Organi simili alla vita
Ahmed Ghazi, un chirurgo urologo presso l’Università di Rochester Medical Center di New York, utilizza la stampa 3D per creare organi umani non funzionali, che i chirurghi possono utilizzare per praticare la chirurgia assistita da robot. Per procedure relativamente semplici, come la rimozione di una milza, c’è poco bisogno di tale pratica. Ma le procedure più complesse, come l’asportazione di un tumore, possono variare selvaggiamente da paziente a paziente. Come nota Ghazi, “I tumori non sono nei libri di testo.”
Ghazi inizia con scansioni di tomografia 3D assistita dal computer del tessuto del paziente, poi alimenta i dati nel software commerciale di modellazione medica Mimics, di Materialise a Leuven, Belgio, e Meshmixer, uno strumento gratuito di Autodesk a San Rafael, California, per creare modelli 3D. Poi stampa quei modelli come stampi di plastica vuoti usando una stampante FFF, inserisce repliche di vasi sanguigni che si collegheranno a una pompa di sangue finto, e inietta lo stampo con un idrogel che solidificherà in un oggetto con rigidità simile a un organo. Le strutture risultanti sono abbastanza realistiche per i chirurghi per praticare le loro procedure con conseguenze reali, compreso il sanguinamento.
Ghazi dice che lui e il suo team usano questi modelli per un massimo di quattro casi di chirurgia a settimana. In ogni caso, creano due copie dei modelli e scelgono la rappresentazione più accurata. E stanno addestrando altri medici ad applicare la tecnologia in campi come la chirurgia del cuore e del fegato. “Questo è sicuramente qualcosa che sta prendendo piede molto di più”, dice Ghazi.
Ma le imperfezioni rimangono. Gli stampi prodotti dalle stampanti FFF spesso presentano piccole creste e buchi, dice Ghazi. Tali difetti sono spesso troppo piccoli da vedere a occhio nudo, ma sono chiaramente visibili alla telecamera robotica, il che potrebbe influenzare l’esperienza del chirurgo. La soluzione di Ghazi è di stendere uno strato di cera a temperatura ambiente all’interno dello stampo, che riempie le creste e i buchi, appianando così il prodotto finale. “Queste piccole cose fanno la differenza”, dice.
Repliche di rocce
Per Mehdi Ostadhassan, un ingegnere petrolifero presso l’Università del North Dakota a Grand Forks, la stampa 3D fornisce uno strumento per ottimizzare l’estrazione di petrolio e gas dalla roccia.
Ostadhassan stampa “rocce” utilizzando programmi come OpenSCAD e il software commerciale di progettazione assistita dal computer 3D AutoCAD (di Autodesk) in combinazione con varie stampanti 3D e materiali. Questi modelli di roccia hanno proprietà fisiche realistiche, compresi i pori minuscoli e dettagliati, e Ostadhassan li mette sotto stress fisico per capire meglio come il liquido scorre attraverso i loro equivalenti reali.
Per creare le rocce più realistiche, Ostadhassan utilizza una serie di approcci di stampa, compresa la tecnologia binder-jet, in cui un legante liquido viene applicato strato per strato alla polvere di gesso o alla sabbia di silice. Il processo produce oggetti con proprietà meccaniche che imitano da vicino quelle delle rocce reali. Ma la polvere non legata può anche bloccarsi nei pori, dice Ostadhassan, diminuendo la qualità del prodotto finale. E per alcuni esperimenti, ha bisogno di applicare un trattamento idrorepellente per ottenere la giusta ‘bagnabilità’. Le stampanti stereolitografiche sono migliori nella stampa di rocce con pori dettagliati per consentire lo studio delle proprietà del flusso di liquidi, ma i modelli che producono non sono così forti come le rocce stampate a getto di legante.
Come tale, Ostadhassan sta collaborando con altri ricercatori per sviluppare una stampante personalizzata che può imitare quei pori e crepe, ma ancora produrre modelli con la stessa resistenza meccanica delle rocce reali.
Metallo pesante
Le stampanti 3D di oggi possono produrre una gamma di materiali – ma non tutti. “Il materiale per la stampa 3D è molto, molto limitato”, dice Yang Yang, amministratore delegato di UniMaker a Shenzhen, Cina, che produce stampanti 3D per uso scientifico. Ma la ricerca nello spazio è intensa, e il cambiamento è in arrivo. Un’area di crescita calda è il bioprinting, per l’uso nella creazione di materiali biologici strutturati. Jin-Ye Wang, uno scienziato biomedico presso la Shanghai Jiao Tong University in Cina, dice che la sua istituzione ha acquisito un dispositivo di questo tipo da utilizzare in classe. Queste bioprinters fondono cellule e idrogeli per creare strutture come ossa e modelli di tumori.
Un’altra area di crescita, dice Yang, sono i metalli. Le stampanti in grado di stampare i metalli usano un fascio di elettroni o un laser per fondere le polveri di metallo in modelli definiti. Jeremy Bourhill, un fisico dell’Università dell’Australia Occidentale a Perth che fa ricerche sulla materia oscura, sta studiando l’uso di stampanti 3D di metallo basate sul laser per costruire una rete di niobio superconduttore. Questo potrebbe essere usato per bloccare forti campi magnetici che interferirebbero con il rilevamento della materia oscura, dice Bourhill.
Utilizzare la lavorazione convenzionale per creare la maglia richiederebbe lubrificanti tossici e sprecare una notevole quantità di niobio, che è costoso. Così il team di Bourhill sta usando laser ad alta potenza per fondere e fondere insieme sezioni trasversali di polvere metallica. Ma poiché il punto di fusione del niobio è di circa 2.500 °C, il processo richiede una notevole quantità di energia. “Il niobio è un materiale davvero duro”, dice Bourhill.
Una volta, i ricercatori come Bourhill sarebbero stati limitati nelle loro opzioni. Ma con la maggiore disponibilità di stampanti 3D, si è verificato un cambiamento fondamentale, dice Yusheng Shi, un ingegnere dei materiali presso l’Università Huazhong di Scienza e Tecnologia di Wuhan, in Cina: la stampa 3D sta permettendo la produzione personalizzata, soppiantando la produzione centralizzata. Come mostrano questi esempi, i ricercatori hanno appena scalfito la superficie di ciò che possono fare con questo potere.