Fabbricazione e attuazione magnetica di microstrutture ibride multifunzionali microstampate in 3D

GLI SCIENZIATI DI GRENOBLE SVILUPPANO UN NUOVO METODO DI STAMPA 3D DI MICROSTRUTTURE MAGNETICHE CONTROLLABILI

I ricercatori dell’Università di Grenoble hanno sviluppato un nuovo modo di stampare in 3D microstrutture con campi magnetici deformabili.

La nuova tecnica del team prevede l’aggiunta di microsfere magnetiche a un oggetto stampato in 3D standard con polimerizzazione a due fotoni (2PP). Adattando con precisione le proprietà di questi minuscoli materiali, nonché l’orientamento delle sfere, gli scienziati sono stati in grado di creare complesse nano-pinzette che potevano essere azionate utilizzando solo un campo magnetico esterno.

Sfruttando il loro nuovo processo, i ricercatori ritengono che potrebbe anche essere possibile sviluppare microattuatori potenziati o persino idrogel a poli magnetici per applicazioni di somministrazione di farmaci.

Le nano tecnologie di stampa 3D offrono un’eccellente versatilità in termini di compatibilità dei materiali e flessibilità di forma, e questo ha consentito il loro utilizzo in una varietà di applicazioni mediche e microfluidiche. In una recente ricerca, gli scienziati hanno ora iniziato ad adottare un nuovo approccio alla nanofabbricazione, valutando la possibilità di modificare le strutture stampate in 3D tramite uno stimolo esterno.

L’attivazione magnetica offre una promettente via di indagine in quest’area, poiché consente di eseguire la stimolazione remota in modo accurato, istantaneo e su base limitata nel tempo in ambienti confinati. Nonostante ciò, l’incorporazione di materiali magnetici negli oggetti stampati in 3D si è rivelata finora difficile e ha impedito lo sviluppo di microattuatori robusti e abili.

Per creare un oggetto in grado di completare movimenti complessi, è necessario integrare magneti ad alte prestazioni, ma il processo 2PP dipende dal fatto che il fotoresist rimanga trasparente al laser. Di conseguenza, vari ricercatori precedenti hanno tentato di diluire le nanoparticelle magnetiche, di depositarle in pellicole sottili o di riempirle in uno stampo stampato.

Sfortunatamente, in molti di questi approcci, la quantità di materiale magnetico che può essere fuso nell’oggetto è limitata, il che riduce l’entità delle forze che è in grado di raggiungere. Inoltre, l’alterazione delle proprietà del materiale influisce anche sulla sua trasparenza, il che lo rende incompatibile con la stampa 3D 2PP e con i polimeri drogati magneticamente.

Per superare queste limitazioni, gli scienziati di Grenoble hanno aggiunto microsfere magnetiche discrete a una struttura microstampata morbida e non modificata. Adattando con precisione la magnetizzazione di ciascun tallone prima dell’incollaggio, il team ha scoperto di essere in grado di raggiungere varie fasi di attuazione remota come spostamento, rotazione e deformazione controllata.

Il team ha creato la propria microstruttura utilizzando un metodo DLB (Direct Laser Bonding), in cui hanno distribuito in modo casuale microperle policristalline in un substrato polimerico induribile con UV. Durante il processo, il laser della stampante 3D passa dall’oggetto al tallone, polimerizzando il fotoresist lungo il percorso. Si è scoperto che la tecnica produceva un legame particolarmente forte, che era più efficace nel punto medio dell’oggetto.

Durante la valutazione del loro metodo di microperlatura, gli scienziati hanno scelto di creare una struttura a tema Star Wars. L’oggetto presentava una forza magnetica di 0,5 T e il team ha osservato che aggiungendo perle isotropiche o altamente coercitive, era possibile cambiare la direzione della sua magnetizzazione.

Utilizzando un campo di rotazione di 10 mT, il team ha testato la loro struttura su una lastra di vetro e, a causa dell’attrito causato con la diapositiva sottostante, sono stati in grado di far rotolare i loro talloni in qualsiasi direzione desiderata. Sulla base di questi risultati, i ricercatori hanno ipotizzato che se le perle fossero posizionate con precisione all’interno di una struttura stampata in 3D, potrebbero essere allineate e controllate da un campo magnetico esterno.

Inoltre, sebbene gli scienziati abbiano costruito il loro oggetto magnetico da un fororesist Ormocomp, hanno scoperto che potrebbe essere ugualmente realizzato da una gamma di polimeri magnetici. Di conseguenza, esiste il potenziale per la creazione di coppie e campi magnetici più forti, che potrebbero produrre una nuova generazione di microattuatori più leggeri ed economici, da utilizzare in applicazioni di robotica morbida.

Microrobotica stampata in 2PP e 3D

Negli ultimi anni un certo numero di ricercatori ha sfruttato le tecnologie di stampa 3D 2PP per fabbricare microrobot, spesso con l’obiettivo di sviluppare sistemi avanzati di somministrazione dei farmaci.

I ricercatori della Purdue University hanno adottato 2PP per sviluppare microrobot tracciabili stampati in 3D . Il nuovo metodo di modellazione del team potrebbe essere utilizzato per realizzare robotica su scala nanometrica per applicazioni biomediche come la diagnosi non invasiva o la somministrazione di farmaci.

Un team del Georgia Institute of Technology , nel frattempo, ha stampato in 3D “micro-setole-robot” che possono essere controllati da vibrazioni minime. I dispositivi sono in grado di trasportare materiali e rilevare cambiamenti nell’ambiente, che potrebbero prestarli applicazioni in settori che vanno dalla meccanica all’elettronica dell’utente.

Sul lato più commerciale nanostampa, Nanofabrica lanciato i suoi primi sistemi di laboratorio e industriali in agosto 2019. Entrambe le macchine 2PP sono stati progettati per produrre pezzi con micron e sub-micron livelli di risoluzione, e sono spesso utilizzati per produrre medica, aerospaziale o dispositivi a semiconduttore.

I risultati dei ricercatori sono descritti in dettaglio nel loro documento intitolato ” Fabbricazione e attuazione magnetica di microstrutture ibride multifunzionali microprintate 3D “. Lo studio è stato co-autore di Victor Vieille, Roxane Pétrot, Olivier Stéphan, Guillaume Delattre, Florence Marchi, Marc Verdier, Orphée Cugat e Thibaut Devillers.

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