Valentine Ananikov, chemik w Zelinsky Institute of Organic Chemistry w Moskwie, prowadzi reakcje chemiczne tak delikatne, że tylko śladowe ilości nanocząsteczek metalu, mniejsze od bakterii, mogą zmienić wyniki. Kiedy więc w jego laboratorium kończy się eksperyment, konieczne jest rygorystyczne czyszczenie. A przynajmniej kiedyś tak było. W 2016 r. Ananikov zaczął tworzyć jednorazowe naczynia reakcyjne. Aby to zrobić, opiera się na technologii, która zawładnęła wyobraźnią hakerów, inżynierów i naukowców: druku 3D.
W druku 3D, znanym również jako produkcja addytywna, komputerowy model 3D jest przekształcany w fizyczny obiekt warstwa po warstwie, jak lukier na torcie. Zespół Ananikova wykorzystuje tę technologię do tworzenia reaktorów chemicznych na zamówienie w ciągu kilku dni, zamiast czekać tygodniami lub dłużej na ich wykonanie i dostawę przez zewnętrznego dostawcę. Co ważniejsze, koszt druku 3D z plastiku jest tak niski, że zespół może sobie pozwolić na traktowanie urządzeń jako materiałów eksploatacyjnych, które mogą być użyte raz, a następnie wyrzucone, bez konieczności sprzątania. Dla laboratoriów badawczych zajmujących się interdyscyplinarnymi projektami,” mówi Ananikov, „druk 3D jest obecnie standardowym narzędziem.”
Drukarki 3D zostały powszechnie przyjęte przez członków „kultury twórców” do edukacji i tworzenia innowacyjnych obiektów. Jednak coraz częściej stają się one również standardowym wyposażeniem laboratoriów naukowych. Naukowcy mogą używać ich do wymiany zepsutych części instrumentów, budowania niestandardowych uchwytów na próbki i modelowania wszystkiego, od cząsteczek biologicznych po skały roponośne. A klinicyści mogą ich używać do tworzenia implantów i modeli dydaktycznych.
Przedmioty mogą być drukowane 3D przy użyciu kilku technologii, ale jedną z najbardziej rozpowszechnionych jest wytwarzanie metodą stapianych włókien (FFF), zwaną również modelowaniem stapianego osadzania. W drukarkach FFF, wąski, kolorowy filament – zazwyczaj plastikowy drut – jest podgrzewany i wytłaczany, tworząc kształt warstwy po warstwie. Natomiast starsze drukarki stereolitograficzne wykorzystują zbiornik z płynną żywicą aktywowaną światłem, która jest utwardzana w precyzyjne kształty za pomocą lasera. Drukarki FFF mają tendencję do wytwarzania mniej szczegółowych obiektów niż drukarki stereolitograficzne, ale są łatwiejsze i tańsze w użyciu.
Komercyjne drukarki FFF można nabyć za kwotę od setek do tysięcy dolarów. Badacze mogą też sami zbudować sprzęt za pomocą zestawów lub projektów z otwartego projektu RepRap za zaledwie kilkaset dolarów.
Drukowanie 3D nie jest nowością: drukarki stereolitograficzne istnieją od lat 80. Jednak spadające ceny sprawiły, że technologia ta stała się powszechnie dostępna. Poniżej przedstawiamy cztery sposoby, w jakie naukowcy skorzystali z druku 3D.
Sprzęt w podróży
Julian Stirling, fizyk z Uniwersytetu w Bath w Wielkiej Brytanii, jest częścią zespołu, który zaprojektował mikroskopy świetlne, które mogą być wykonane z plastikowych komponentów wydrukowanych w 3D. Pomysł polega na zbudowaniu ich w terenie w Tanzanii i wykorzystaniu ich do diagnozowania malarii poprzez wyszukiwanie pasożytów we krwi. Jak mówi, w Tanzanii brakuje wykwalifikowanych mechaników i lokalnych części do naprawy sprzętu naukowego, a importowanie komponentów może być drogie i czasochłonne. Dzięki drukowaniu 3D części, lokalni lekarze i naukowcy mogą naprawiać swoje mikroskopy szybciej i taniej. Lokalna firma w Tanzanii stworzyła nawet drukarki FFF z odpadów elektronicznych i innych lokalnych materiałów, dodaje.
Kilka stron internetowych, w tym Thingiverse i MyMiniFactory, udostępnia naukowcom fora, na których mogą oni dzielić się komputerowymi modelami komponentów nadających się do druku. Jednak z doświadczenia Stirlinga wynika, że modele na tych stronach są często niekompletne, brakuje im albo dokumentacji konkretnego projektu, albo kluczowych plików do modyfikacji konstrukcji. W rezultacie, jego zespół tworzy swoje konstrukcje od podstaw, używając języka programowania open-source o nazwie OpenSCAD. Ich mikroskopy mogą być w całości drukowane 3D, z wyjątkiem kamery, silników i obiektywów.
Jeśli chodzi o druk 3D, łatwo jest popełnić błędy, mówi Stirling. Ale ponieważ technologia ta jest szybka i niedroga, łatwo jest udoskonalać projekty. „To doświadczenie można zdobyć tylko metodą prób i błędów” – zauważa.
Praktyka nauczyła Stirlinga, że istnieje duża różnica pomiędzy używaniem drukarki 3D w laboratorium, a robieniem tego w terenie. Drukowanie 3D z plastikowego filamentu w wilgotnym klimacie Tanzanii jest zazwyczaj trudniejsze niż w klimatyzowanym laboratorium, ponieważ wilgoć wpływa na plastikowy filament, prowadząc do większej ilości nieudanych wydruków. Ponadto, przerwy w dostawie prądu nie są rzadkością i tylko niektóre drukarki mogą wznowić drukowanie w połowie ukończonego obiektu po przywróceniu zasilania. Stirling i jego zespół nie mogą wiele zrobić w kwestii klimatu, ale używają zasilaczy awaryjnych, aby mieć pewność, że ich zadania drukowania zostaną ukończone, jak twierdzi.
Żywopodobne organy
Ahmed Ghazi, chirurg urologiczny z University of Rochester Medical Center w Nowym Jorku, używa druku 3D do tworzenia niefunkcjonalnych ludzkich organów, które chirurdzy mogą wykorzystywać do ćwiczenia chirurgii wspomaganej robotami. W przypadku stosunkowo prostych zabiegów, takich jak usunięcie śledziony, potrzeba takiej praktyki jest niewielka. Jednak bardziej skomplikowane procedury, takie jak wycięcie guza, mogą się bardzo różnić w zależności od pacjenta. Jak zauważa Ghazi, „Guzy nie są opisane w podręcznikach.”
Ghazi zaczyna od skanowania tkanki pacjenta za pomocą tomografii komputerowej 3D, a następnie wprowadza dane do komercyjnego oprogramowania do modelowania medycznego Mimics, firmy Materialise z Leuven w Belgii, oraz Meshmixer, darmowego narzędzia firmy Autodesk z San Rafael w Kalifornii, aby stworzyć modele 3D. Następnie drukuje te modele jako puste plastikowe formy przy użyciu drukarki FFF, wstawia repliki naczyń krwionośnych, które będą podłączone do sztucznej pompy krwi i wstrzykuje do formy hydrożel, który zestala się w obiekt o sztywności podobnej do organów. Powstałe w ten sposób struktury są wystarczająco realistyczne, aby chirurdzy mogli ćwiczyć swoje procedury z realnymi konsekwencjami, w tym krwawieniem.
Ghazi mówi, że on i jego zespół używają tych modeli do czterech przypadków operacji tygodniowo. W każdym przypadku tworzą dwie kopie modeli i wybierają najdokładniejszą reprezentację. Szkolą też innych lekarzy, aby mogli stosować tę technologię w takich dziedzinach, jak chirurgia serca i wątroby. „Jest to zdecydowanie coś, co staje się coraz bardziej popularne” – mówi Ghazi.
Ale niedoskonałości pozostają. Formy wytwarzane przez drukarki FFF często mają drobne grzbiety i wgłębienia, mówi Ghazi. Takie defekty są często zbyt małe, aby dostrzec je gołym okiem, ale są doskonale widoczne dla zrobotyzowanej kamery, co może mieć wpływ na doświadczenie chirurga. Rozwiązaniem Ghaziego jest rozprowadzenie warstwy wosku o temperaturze pokojowej po wewnętrznej stronie formy, który wypełnia grzbiety i wgłębienia, wygładzając w ten sposób produkt końcowy. „Te małe rzeczy robią różnicę” – mówi.
Replika skał
Dla Mehdi Ostadhassana, inżyniera naftowego z Uniwersytetu Północnej Dakoty w Grand Forks, druk 3D stanowi narzędzie do optymalizacji wydobycia ropy i gazu ze skał.
Ostadhassan drukuje „skały” używając programów takich jak OpenSCAD i komercyjnego oprogramowania do komputerowego wspomagania projektowania 3D AutoCAD (firmy Autodesk) w połączeniu z różnymi drukarkami 3D i materiałami. Te modele skał mają realistyczne właściwości fizyczne, w tym maleńkie, szczegółowe pory, a Ostadhassan poddaje je fizycznemu naprężeniu, aby lepiej zrozumieć, jak ciecz przepływa przez ich rzeczywiste odpowiedniki.
Aby stworzyć najbardziej realistyczne skały, Ostadhassan wykorzystuje szereg metod drukowania, w tym technologię binder-jet, w której płynny środek wiążący jest nakładany warstwa po warstwie na proszek gipsowy lub piasek kwarcowy. W wyniku tego procesu powstają obiekty o właściwościach mechanicznych ściśle naśladujących te, które posiadają prawdziwe skały. Jednak, jak twierdzi Ostadhassan, niezwiązany proszek może utknąć w porach, obniżając jakość produktu końcowego. W przypadku niektórych eksperymentów, aby uzyskać właściwą „zwilżalność”, trzeba zastosować obróbkę zapobiegającą zwilżaniu wodą. Drukarki stereolitograficzne są lepsze w drukowaniu skał ze szczegółowymi porami, aby umożliwić badanie właściwości przepływu cieczy, ale modele, które wytwarzają, nie są tak mocne jak skały drukowane za pomocą strumienia spoiwa.
Metal ciężki
Dzisiejsze drukarki 3D mogą drukować z różnych materiałów – ale nie ze wszystkich. „Materiał do druku 3D jest bardzo, bardzo ograniczony” – mówi Yang Yang, szef firmy UniMaker w Shenzhen w Chinach, która produkuje drukarki 3D do zastosowań naukowych. Badania w tej dziedzinie są jednak intensywne, a zmiany nadchodzą. Jednym z najszybciej rozwijających się obszarów jest bioprinting, wykorzystywany do tworzenia struktur materiałów biologicznych. Jin-Ye Wang, naukowiec biomedyczny z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju w Chinach, twierdzi, że jej instytucja nabyła jedno z takich urządzeń do użytku w klasie. Biodrukarki te łączą komórki i hydrożele, tworząc struktury takie jak kości i modele nowotworów.
Innym obszarem wzrostu, mówi Yang, są metale. Drukarki obsługujące metale wykorzystują wiązkę elektronów lub laser do topienia proszków metalowych w określonych wzorach. Jeremy Bourhill, fizyk z University of Western Australia w Perth, który bada ciemną materię, bada wykorzystanie laserowych drukarek 3D do budowy siatki z nadprzewodzącego niobu. Mogłoby to być wykorzystane do blokowania silnych pól magnetycznych, które mogłyby zakłócić wykrywanie ciemnej materii, mówi Bourhill.
Użycie konwencjonalnej obróbki mechanicznej do stworzenia siatki wymagałoby toksycznych smarów i zmarnowania znacznej ilości niobu, który jest drogi. Tak więc zespół Bourhilla używa laserów o dużej mocy do topienia i łączenia ze sobą przekrojów proszku metalowego. Ponieważ jednak temperatura topnienia niobu wynosi około 2500 °C, proces ten wymaga znacznych ilości energii. „Niob to naprawdę twardy materiał” – mówi Bourhill.
Wcześniej badacze tacy jak Bourhill byliby ograniczeni w swoich opcjach. Ale wraz z rosnącą dostępnością drukarek 3D nastąpiła fundamentalna zmiana, mówi Yusheng Shi, inżynier materiałowy z Huazhong University of Science and Technology w Wuhan, Chiny: druk 3D umożliwia spersonalizowaną produkcję, wypierając scentralizowaną produkcję. Jak pokazują powyższe przykłady, naukowcy dopiero zarysowują powierzchnię tego, co mogą zrobić z tą mocą.