Valentine Ananikov, kemist vid Zelinsky Institute of Organic Chemistry i Moskva, utför kemiska reaktioner som är så känsliga att bara ett spår av metallnanopartiklar, som är mindre än en bakterie, kan förändra hans resultat. Så när hans laboratorium avslutar ett experiment krävs en rigorös rengöring. Eller åtminstone var det så förr. År 2016 började Ananikov i stället skapa engångsreaktionskärl. För att göra det förlitar han sig på en teknik som har fångat fantasin hos både gör-det-själv-hackare, ingenjörer och forskare: 3D-utskrift.
I 3D-utskrift, även känd som additiv tillverkning, omvandlas en 3D-datormodell till ett fysiskt objekt lager för lager, som att glasera en tårta. Ananikovs team använder tekniken för att skapa skräddarsydda kemiska reaktorer på några dagar, i stället för att vänta veckor eller mer på att de ska tillverkas och levereras av en extern leverantör. Ännu viktigare är att kostnaden för 3D-utskrift av plast är så låg att gruppen har råd att behandla utrustningen som en förbrukningsvara som kan användas en gång och sedan slängas, utan att det krävs någon sanering. ”För forskningslaboratorier som arbetar med tvärvetenskapliga projekt”, säger Ananikov, ”är 3D-skrivare ett slags standardverktyg nuförtiden.”
3D-skrivare har i stor utsträckning anammats av medlemmar av ”maker-kulturen” för utbildning och skapande av innovativa objekt. Men de blir alltmer standardutrustning även i vetenskapliga laboratorier. Forskare kan använda dem för att ersätta trasiga instrumentdelar, bygga skräddarsydda provhållare och modellera allt från biologiska molekyler till oljehaltiga bergarter. Och kliniker kan använda dem för att skapa implantat och undervisningsmodeller.
Objekt kan 3D-utskrivas med hjälp av flera tekniker, men en av de mest utbredda är tillverkning med smältfilament (FFF), även kallad fusionsdepositionsmodellering. I FFF-skrivare värms och extruderas en smal, färgad tråd – vanligtvis plasttråd – och bildar en form ett lager i taget. Äldre stereolitografiska skrivare använder däremot en tank med flytande ljusaktiverad harts som härdas till exakta former med hjälp av en laser. FFF-skrivare tenderar att producera mindre detaljerade föremål än stereolitografiska skrivare, men är enklare och billigare att använda.
Kommersiella FFF-skrivare kan köpas för allt från hundratals till tusentals dollar. Eller så kan forskare bygga hårdvaran själva med hjälp av byggsatser eller konstruktioner från RepRap-projektet med öppen källkod för bara några hundra dollar.
3D-utskrift är inte nytt: stereolitografiska skrivare har funnits sedan 1980-talet. Men sjunkande priser har gjort tekniken allmänt tillgänglig. Nedan följer fyra sätt på vilka forskare har dragit nytta av 3D-utskrift.
Utrustning på språng
Julian Stirling, fysiker vid University of Bath i Storbritannien, ingår i ett team som har utformat ljusmikroskop som kan tillverkas med 3D-printade plastkomponenter. Tanken är att bygga dem på fältet i Tanzania och använda dem för att diagnostisera malaria genom att söka efter parasiter i blodet. Tanzania har en brist på kunniga mekaniker och lokala komponenter för att reparera vetenskaplig utrustning, säger han, och det kan vara dyrt och tidskrävande att importera komponenter. Genom att 3D-skriva ut delar kan lokala läkare och forskare reparera sina mikroskop snabbare och billigare. Ett lokalt företag i Tanzania har till och med skapat FFF-skrivare av elektronikavfall och andra lokala material, tillägger han.
Flera webbplatser, däribland Thingiverse och MyMiniFactory, erbjuder forum där forskare kan dela med sig av datormodeller av utskrivbara komponenter. Men enligt Stirlings erfarenhet är modellerna på dessa webbplatser ofta ofullständiga och saknar antingen dokumentation för ett visst projekt eller viktiga filer för att ändra konstruktionerna. Därför skapar hans team sina konstruktioner från grunden med hjälp av ett programmeringsspråk med öppen källkod som kallas OpenSCAD. Deras mikroskop kan vara helt 3D-utskrivna med undantag för kameran, motorerna och linserna.
När det gäller 3D-utskrift är det lätt att göra misstag, säger Stirling. Men eftersom tekniken är snabb och billig är det enkelt att upprepa konstruktioner. ”Den här erfarenheten kan bara byggas upp genom försök och misstag”, konstaterar han.
Praktiken har lärt Stirling att det är en stor skillnad mellan att använda en 3D-skrivare i laboratoriet och att göra det på fältet. 3D-utskrift av plastfilament i Tanzanias fuktiga klimat är vanligtvis svårare än i ett klimatkontrollerat laboratorium eftersom luftfuktigheten påverkar plastfilamentet, vilket leder till fler misslyckade utskrifter. Dessutom är det inte ovanligt med strömavbrott, och endast vissa skrivare kan återuppta utskriften av ett halvfärdigt objekt efter att strömmen återställts. Det finns inte mycket som Stirling och hans team kan göra åt klimatet, men de använder avbrottsfri strömförsörjning för att se till att deras utskriftsjobb löper till slut, säger han.
Livsliknande organ
Ahmed Ghazi, urologisk kirurg vid University of Rochester Medical Center i New York, använder 3D-utskrift för att skapa icke-funktionella mänskliga organ som kirurger kan använda för att öva sig i robotassisterad kirurgi. För relativt enkla ingrepp, t.ex. avlägsnande av en mjälte, finns det inte något större behov av sådan övning. Men mer komplexa ingrepp, som att skära ut en tumör, kan variera kraftigt från patient till patient. Som Ghazi påpekar: ”Tumörer finns inte i läroböcker.”
Ghazi börjar med datorstödda 3D-tomografiska skanningar av patientens vävnad och matar sedan in uppgifterna i den kommersiella medicinska modelleringsprogramvaran Mimics från Materialise i Leuven, Belgien, och Meshmixer, ett gratisverktyg från Autodesk i San Rafael, Kalifornien, för att skapa 3D-modeller. Han skriver sedan ut dessa modeller som ihåliga plastformar med hjälp av en FFF-skrivare, lägger in kopior av blodkärl som ska anslutas till en falsk blodpump och injicerar formen med en hydrogel som stelnar till ett objekt med organliknande styvhet. De resulterande strukturerna är tillräckligt realistiska för att kirurgerna ska kunna öva sina ingrepp med verkliga konsekvenser, inklusive blödning.
Ghazi säger att han och hans team använder dessa modeller för upp till fyra operationer i veckan. I varje fall skapar de två kopior av modellerna och väljer den mest exakta representationen. Och de utbildar andra läkare för att tillämpa tekniken inom områden som hjärt- och leverkirurgi. ”Det här är definitivt något som håller på att få större genomslagskraft”, säger Ghazi.
Men det finns fortfarande brister. De formar som produceras av FFF-skrivare har ofta små åsar och gropar, säger Ghazi. Sådana defekter är ofta för små för att ses med blotta ögat, men är klart synliga för robotkameran, vilket kan påverka kirurgens upplevelse. Ghazis lösning är att sprida ett lager rumstempererat vax på insidan av formen, vilket fyller ut åsarna och groparna och på så sätt jämnar ut slutprodukten. ”Dessa små saker gör skillnad”, säger han.
Replika stenar
För Mehdi Ostadhassan, petroleumingenjör vid University of North Dakota i Grand Forks, är 3D-utskrift ett verktyg för att optimera utvinningen av olja och gas ur berg.
Ostadhassan skriver ut ”stenar” med hjälp av program som OpenSCAD och den kommersiella datorstödda 3D-designprogramvaran AutoCAD (från Autodesk) i kombination med olika 3D-skrivare och material. Dessa stenmodeller har realistiska fysiska egenskaper, inklusive små, detaljerade porer, och Ostadhassan utsätter dem för fysisk påfrestning för att bättre förstå hur vätska flyter genom deras verkliga motsvarigheter.
För att skapa de mest realistiska stenarna använder Ostadhassan en rad olika utskriftsmetoder, bland annat binder-jet-teknik, där ett flytande bindemedel appliceras skikt för skikt på gipspulver eller kvartssand. Processen ger objekt med mekaniska egenskaper som nära efterliknar riktiga stenar. Men obundet pulver kan också fastna i porerna, säger Ostadhassan, vilket försämrar kvaliteten på slutprodukten. Och för vissa experiment måste han tillämpa en vattenavvisande behandling för att få rätt ”vätbarhet”. Stereolitografiska skrivare är bättre på att skriva ut stenar med detaljerade porer för att möjliggöra studier av vätskeflödesegenskaper, men de modeller de producerar är inte lika starka som stenar som skrivs ut med bindemedel.
Som sådan samarbetar Ostadhassan med andra forskare för att utveckla en anpassad skrivare som kan efterlikna dessa porer och sprickor men ändå producera modeller med samma mekaniska hållfasthet som riktiga stenar.
Tunga metaller
Dagens 3D-skrivare kan producera en rad olika material – men inte alla. ”Materialet för 3D-utskrift är mycket, mycket begränsat”, säger Yang Yang, chef för UniMaker i Shenzhen i Kina, som tillverkar 3D-skrivare för vetenskapligt bruk. Men forskningen på området är intensiv, och förändringar är på väg. Ett hett tillväxtområde är bioprinting, som används för att skapa strukturerade biologiska material. Jin-Ye Wang, biomedicinsk forskare vid Shanghai Jiao Tong University i Kina, säger att hennes institution har skaffat en sådan apparat för användning i klassrummet. Dessa bioprinters blandar celler och hydrogeler för att skapa strukturer som t.ex. ben och tumörmodeller.
Ett annat tillväxtområde, säger Yang, är metaller. Metallkapabla skrivare använder en elektronstråle eller en laser för att smälta metallpulver i definierade mönster. Jeremy Bourhill, en fysiker vid University of Western Australia i Perth som forskar om mörk materia, studerar användningen av laserbaserade 3D-metalskrivare för att bygga ett nät av supraledande niobium. Detta skulle kunna användas för att blockera starka magnetfält som skulle störa detekteringen av mörk materia, säger Bourhill.
Att använda konventionell maskinbearbetning för att skapa nätet skulle kräva giftiga smörjmedel och slösa bort en betydande mängd niobium, som är dyrt. Bourhills team använder därför högeffektiva lasrar för att smälta och smälta samman tvärsnitt av metallpulver. Men eftersom niobiums smältpunkt är cirka 2 500 °C kräver processen stora mängder energi. ”Niobium är ett riktigt hårt material”, säger Bourhill.
En gång i tiden skulle forskare som Bourhill ha varit begränsade i sina alternativ. Men i och med den ökade tillgången till 3D-skrivare har en grundläggande förändring skett, säger Yusheng Shi, materialingenjör vid Huazhong University of Science and Technology i Wuhan, Kina: 3D-utskrift möjliggör personlig tillverkning och ersätter centraliserad tillverkning. Som dessa exempel visar har forskarna bara skrapat på ytan av vad de kan göra med denna kraft.