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Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon han desarrollado un método de fabricación reproducible de alta velocidad que da la vuelta al proceso de impresión 3D. Desarrollaron un enfoque para las estructuras de hielo impresas en 3D que se pueden usar para crear plantillas de sacrificio que luego forman los conductos y otras características abiertas dentro de las piezas fabricadas.
Según un artículo subido a TechXplore , por Lynn Shea de la Ingeniería Mecánica de la Universidad Carnegie Mellon, los grandes avances científicos a menudo requieren inventos a la escala más pequeña. Los avances en la ingeniería de tejidos que pueden reemplazar corazones y pulmones requerirán la fabricación de tejidos artificiales que permitan el flujo de sangre a través de pasajes que no son más gruesos que un mechón de cabello. De manera similar, los dispositivos 'softbotic' (robots blandos) en miniatura que interactúan físicamente con los humanos de manera segura y cómoda requerirán la fabricación de componentes con redes complejas de pequeños canales de flujo de líquido y aire.
Los avances en la impresión 3D están haciendo posible producir estructuras tan diminutas, pero aún quedan desafíos para aquellas aplicaciones que requieren canales internos muy pequeños y uniformes en geometrías complejas específicas. La impresión 3D de estas geometrías utilizando procesos tradicionales requiere el uso de estructuras de soporte que pueden ser difíciles de quitar después de la impresión, y la impresión de estos modelos utilizando métodos basados en capas a alta resolución a menudo puede llevar mucho tiempo y comprometer la precisión geométrica.
Akash Garg, un Ph.D. estudiante de ingeniería mecánica, y Saigopalakrishna Yerneni, asociada posdoctoral en ingeniería química, desarrollaron el proceso y realizaron estudios bajo la dirección de Burak Ozdoganlar, Philip LeDuc y Phil Campbell, profesores de ingeniería mecánica y biomédica.
“Usando nuestro proceso de hielo 3D, podemos fabricar plantillas de hielo a microescala con paredes lisas y estructuras ramificadas con transiciones suaves. Posteriormente, estos pueden usarse para fabricar piezas a microescala con vacíos internos bien definidos”, dijo Akash Garg.
El agua es excepcionalmente adecuada para su uso en aplicaciones de bioingeniería, considerando que es la sustancia más abundante en la superficie de la Tierra y el componente principal de cualquier organismo vivo. La transición de fase simple y rápida del agua al hielo brinda oportunidades interesantes para utilizar el agua como material estructural respetuoso con el medio ambiente.
“No hay nada más biocompatible que el agua”, dijo Akash Garg.
El equipo utiliza las estructuras de hielo impresas como plantillas de sacrificio para el "moldeo inverso" o la impresión 3D de adentro hacia afuera. Las estructuras de hielo se sumergen en forma de líquido o gel de un material estructural enfriado, como la resina. Una vez que el material fragua o se cura, se elimina el agua. Para ello, se puede derretir el hielo para evacuar el agua. Alternativamente, el hielo se puede sublimar convirtiéndolo en vapor de agua sin convertirlo en agua líquida. Esta capacidad de sublimar fácilmente el hielo permite una eliminación fácil y "suave" después de colar y solidificar el material estructural circundante.
Se utiliza un sistema de impresión 3D de alta resolución para depositar gotas de agua en una plataforma de temperatura controlada hecha a medida de -35 °C que transforma rápidamente el agua en hielo. Al modular la frecuencia de eyección de las gotas de agua y sincronizarla con los movimientos del escenario, el nuevo proceso permite imprimir geometrías ramificadas con superficies lisas y variaciones continuas de diámetro con transiciones suaves.
Los investigadores demostraron esto imprimiendo múltiples geometrías de hielo complejas, como un árbol, una hélice alrededor de un poste e incluso una figura de pulpo de un milímetro y medio de altura. El rápido cambio de fase del agua y la fuerza del hielo permitieron la impresión 3D de forma libre de estructuras de hielo sin necesidad de una impresión capa por capa o estructuras de soporte que consume mucho tiempo.
Se realizaron estudios experimentales para determinar la ruta de impresión, la velocidad de la etapa de movimiento y las frecuencias de las gotas para fabricar de forma reproducible estructuras de hielo lisas con geometrías rectas, inclinadas, ramificadas y jerárquicas.
"Controlar tantos parámetros fue un desafío", explicó Akash Garg. “Gradualmente aumentamos la complejidad”.
“Este es un logro asombroso que traerá avances emocionantes”, comentó Burak Ozdoganlar. “Creemos que este enfoque tiene un enorme potencial para revolucionar la ingeniería de tejidos y otros campos, donde se exigen estructuras en miniatura con canales complejos, como microfluidos y robótica blanda”.
Los investigadores de la facultad de Carnegie Mellon con frecuencia trabajan juntos en equipos interdisciplinarios para resolver tales desafíos biológicos y de ingeniería.
“Una de las partes maravillosas de Carnegie Mellon es reunir a personas de muchas disciplinas diferentes para desarrollar nuevos enfoques y resolver problemas de formas nuevas y únicas, que es exactamente lo que ocurrió aquí para desarrollar estos emocionantes hallazgos”, dijo Philip LeDuc.
Los investigadores reconocieron la gran contribución del difunto Lee Weiss, quien originalmente construyó el sistema de impresión 3D de alta resolución. Weiss fue profesor en la Facultad de Ingeniería y la Escuela de Ciencias de la Computación, así como miembro fundador del Instituto de Robótica de Carnegie Mellon.
El estudio fue publicado en Advanced Science . Si bien la adopción del proceso de hielo 3D para aplicaciones de ingeniería, como la creación de canales neumáticos para robótica blanda, podría estar disponible en tan solo un año, su uso clínico para la ingeniería de tejidos llevará más tiempo.
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