Valentine Ananikov, um químico do Instituto Zelinsky de Química Orgânica em Moscovo, executa reacções químicas tão delicadas que apenas um vestígio de nanopartículas metálicas, mais pequenas do que uma bactéria, poderia alterar os seus resultados. Assim, quando seu laboratório termina uma experiência, uma limpeza rigorosa é necessária. Ou, pelo menos, costumava ser. Em 2016, Ananikov começou a criar vasos de reacção descartáveis. Para isso, ele conta com uma tecnologia que capturou a imaginação de hackers, engenheiros e cientistas: a impressão 3D.
Na impressão 3D, também conhecida como fabricação de aditivos, um modelo de computador 3D é transformado em um objeto físico camada por camada, como um bolo de gelo. A equipe de Ananikov usa a tecnologia para criar reatores químicos sob medida em dias, ao invés de esperar semanas ou mais para que eles sejam feitos e enviados por um fornecedor externo. Mais importante ainda, o custo da impressão 3D de plástico é tão baixo que o grupo pode se dar ao luxo de tratar o equipamento como consumíveis a serem usados uma vez e depois jogados fora, sem necessidade de limpeza. “Para laboratórios de pesquisa que lidam com projetos interdisciplinares”, diz Ananikov, “a impressão 3D é uma espécie de ferramenta padrão hoje em dia”
3D impressoras têm sido amplamente adotadas por membros da ‘cultura do fabricante’ para a educação e criação de objetos inovadores. Mas elas também estão se tornando cada vez mais equipamentos padrão em laboratórios científicos. Os pesquisadores podem usá-las para substituir peças de instrumentos quebrados, construir porta amostras personalizadas e modelar tudo, desde moléculas biológicas até rochas que contenham óleo. E os clínicos podem usá-los para criar implantes e modelos de ensino.
Objetos podem ser impressos em 3D usando várias tecnologias, mas uma das mais difundidas é a fabricação de filamentos fundidos (FFF), também chamada de modelagem de posição fundida. Nas impressoras FFF, um filamento estreito e colorido – tipicamente fio de plástico – é aquecido e extrudado, formando uma forma uma camada de cada vez. Em contraste, as impressoras estereolitográficas mais antigas usam um tanque de resina líquida ativada por luz que é endurecida em formas precisas com um laser. As impressoras FFF tendem a produzir objetos menos detalhados do que as impressoras de estereolitografia, mas são mais fáceis e mais baratas de usar.
As impressoras comerciais FFF podem ser adquiridas por qualquer coisa desde centenas a milhares de dólares. Ou os próprios pesquisadores podem construir o hardware com kits ou desenhos do projeto RepRap open-source por apenas algumas centenas de dólares.
3D imprimir não é novidade: as impressoras estereolitográficas existem desde os anos 80. Mas a queda dos preços tornou a tecnologia amplamente disponível. Abaixo estão quatro maneiras pelas quais os pesquisadores têm tirado proveito da impressão 3D.
Equipamento em movimento
Julian Stirling, físico da Universidade de Bath, Reino Unido, faz parte de uma equipe que projetou microscópios de luz que podem ser feitos com componentes plásticos impressos em 3D. A idéia é construí-los no campo na Tanzânia e usá-los para diagnosticar a malária através da busca de parasitas no sangue. A Tanzânia tem falta de conhecimentos sobre mecânica e componentes locais para reparar equipamento científico, diz ele, e a importação de componentes pode ser cara e demorada. Ao imprimir peças em 3D, os médicos e cientistas locais podem reparar os seus microscópios mais rapidamente e a baixo custo. Uma empresa local na Tanzânia criou até mesmo impressoras FFF a partir de resíduos eletrônicos e outros materiais locais, acrescenta ele.
Sites web, incluindo Thingiverse e MyMiniFactory, fornecem fóruns para os cientistas compartilharem modelos de computador de componentes imprimíveis. Mas na experiência da Stirling, os modelos nesses sites são muitas vezes incompletos, faltando documentação para um determinado projeto ou arquivos-chave para modificar os desenhos. Como resultado, sua equipe cria seus builds a partir do zero, usando uma linguagem de programação open-source chamada OpenSCAD. Seus microscópios podem ser inteiramente impressos em 3D, exceto para a câmera, motores e lentes.
Quando se trata de impressão 3D, é fácil cometer erros, diz Stirling. Mas como a tecnologia é rápida e barata, é simples de iterar nos desenhos. “Esta experiência só pode ser construída por tentativa e erro”, observa ele.
A prática ensinou ao Stirling que há uma grande diferença entre usar uma impressora 3D no laboratório e fazer isso no campo. A impressão do filamento plástico em 3D no clima úmido da Tanzânia é tipicamente mais dura do que em um laboratório climatizado porque a umidade afeta o filamento plástico, levando a mais impressões fracassadas. Além disso, os cortes de energia não são incomuns, e apenas algumas impressoras podem retomar a impressão de um objeto semi-acabado depois que a energia é restaurada. Não há muito que Stirling e sua equipe possam fazer sobre o clima, mas eles usam fontes de alimentação ininterrupta para garantir que seus trabalhos de impressão sejam executados até a conclusão, ele diz.
Órgãos semelhantes a vida
Ahmed Ghazi, um cirurgião urológico do Centro Médico da Universidade de Rochester em Nova York, usa a impressão em 3D para criar órgãos humanos não funcionais, que os cirurgiões podem usar para praticar a cirurgia assistida por robôs. Para procedimentos relativamente simples, como a remoção de um baço, há pouca necessidade de tal prática. Mas os procedimentos mais complexos, como a excisão de um tumor, podem variar muito de paciente para paciente. Como observa Ghazi, “Tumores não estão nos livros didáticos”
Ghazi começa com tomografias computadorizadas 3D do tecido do paciente, depois alimenta os dados no software comercial de modelagem médica Mimics, da Materialise em Leuven, Bélgica, e Meshmixer, uma ferramenta gratuita da Autodesk em San Rafael, Califórnia, para criar modelos 3D. Ele então imprime esses modelos como moldes plásticos ocos usando uma impressora FFF, insere réplicas de vasos sanguíneos que se conectarão a uma bomba de sangue falsa, e injeta o molde com um hidrogel que se solidificará em um objeto com rigidez semelhante à de um órgão. As estruturas resultantes são realistas o suficiente para os cirurgiões praticarem seus procedimentos com consequências reais, incluindo sangramento.
Ghazi diz que ele e sua equipe usam esses modelos para até quatro casos de cirurgia por semana. Em cada caso, eles criam duas cópias dos modelos e escolhem a representação mais precisa. E eles estão treinando outros médicos para aplicar a tecnologia em campos como cirurgia cardíaca e hepática. “Isso é definitivamente algo que está pegando muito mais”, diz Ghazi.
Mas as imperfeições permanecem. Os moldes produzidos pelas impressoras FFF muitas vezes apresentam pequenos sulcos e buracos, diz Ghazi. Tais defeitos são muitas vezes pequenos demais para serem vistos a olho nu, mas são claramente visíveis para a câmera robótica, o que pode afetar a experiência do cirurgião. A solução de Ghazi é espalhar uma camada de cera a temperatura ambiente sobre o interior do molde, que preenche as cristas e cavidades, suavizando assim o produto final. “Essas pequenas coisas fazem a diferença”, diz ele.
Replica rochas
Para Mehdi Ostadhassan, engenheiro petrolífero da Universidade de Dakota do Norte em Grand Forks, a impressão em 3D fornece uma ferramenta para otimizar a extração de petróleo e gás das rochas.
Ostadhassan imprime ‘rochas’ usando programas como o OpenSCAD e o software comercial de desenho 3D assistido por computador AutoCAD (da Autodesk) em combinação com várias impressoras e materiais 3D. Estes modelos de rochas têm propriedades físicas realistas, incluindo poros minúsculos e detalhados, e Ostadhassan coloca-os sob tensão física para compreender melhor como flui líquido através dos seus equivalentes da vida real.
Para criar as rochas mais realistas, Ostadhassan usa uma gama de abordagens de impressão, incluindo a tecnologia de jato de ligante, na qual um agente ligante líquido é aplicado camada por camada em pó de gesso ou areia de sílica. O processo produz objetos com propriedades mecânicas que imitam de perto os das rochas reais. Mas o pó não ligado também pode ficar preso nos poros, diz Ostadhassan, diminuindo a qualidade do produto final. E, para algumas experiências, ele precisa aplicar um tratamento repelente de água para obter a “molhabilidade” correta. As impressoras estereolitográficas são melhores na impressão de rochas com poros detalhados para permitir o estudo das propriedades de fluxo de líquido, mas os modelos que produzem não são tão fortes como as rochas impressas por jacto de aglutinante.
Assim, Ostadhassan está colaborando com outros pesquisadores para desenvolver uma impressora personalizada que possa imitar esses poros e fissuras, mas ainda produzir modelos com a mesma resistência mecânica das rochas reais.
Heavy metal
As impressoras 3D de hoje em dia podem produzir uma gama de materiais – mas não todos eles. “O material para impressão 3D é muito, muito limitado”, diz Yang Yang, chefe executivo da UniMaker em Shenzhen, China, que fabrica impressoras 3D para uso científico. Mas a pesquisa no espaço é intensa, e a mudança está chegando. Uma área de crescimento a quente é a bioimpressão, para uso na criação de materiais biológicos estruturados. Jin-Ye Wang, uma cientista biomédica da Universidade Jiao Tong de Shanghai, na China, diz que sua instituição adquiriu um dispositivo desse tipo para uso em sala de aula. Essas bioprinters misturam células e hidrogel para criar estruturas como ossos e modelos tumorais.
Outra área de crescimento, diz Yang, são os metais. Impressoras com capacidade para metais usam um feixe de elétrons ou um laser para derreter pós metálicos em padrões definidos. Jeremy Bourhill, um físico da Universidade da Austrália Ocidental em Perth que pesquisa matéria escura, está estudando o uso de impressoras de metal 3D baseadas em laser para construir uma malha de nióbio supercondutor. Isso poderia ser usado para bloquear fortes campos magnéticos que interfeririam na detecção de matéria escura, diz Bourhill.
Usar usinagem convencional para criar a malha exigiria lubrificantes tóxicos e desperdiçaria uma quantidade substancial de nióbio, o que é caro. Portanto, a equipe de Bourhill está usando lasers de alta potência para fundir e fundir seções transversais de pó metálico juntas. Mas como o ponto de fusão do nióbio é de cerca de 2.500 °C, o processo requer quantidades consideráveis de energia. “O nióbio é um material muito resistente”, diz Bourhill.
Após um tempo, pesquisadores como Bourhill teriam sido limitados em suas opções. Mas com o aumento da disponibilidade de impressoras 3D, uma mudança fundamental ocorreu, diz Yusheng Shi, um engenheiro de materiais da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong em Wuhan, China: a impressão 3D está permitindo a fabricação personalizada, suplantando a fabricação centralizada. Como estes exemplos mostram, os pesquisadores acabaram de riscar a superfície do que eles podem fazer com esse poder.