La Carnegie Mellon University sviluppa la stampa 3D del ghiaccio per produrre microstrutture
Ricercatori della Carnegie Mellon University stanno sviluppando modelli numerici avanzati per controllare con precisione il processo di stampa del ghiaccio 3D, destinato a applicazioni biomediche e manifatturiere.
Sfide nell’ingegneria dei tessuti
La creazione di strutture con cavità e canali microscopici rappresenta una sfida significativa, in particolare nel campo dell’ingegneria dei tessuti. Gli scaffold devono replicare complesse reti tridimensionali di canali, simili al sistema vascolare umano. I metodi tradizionali di produzione additiva spesso non riescono a creare tali strutture interne senza sacrificare tempo, precisione e risorse.
La tecnica della stampa del ghiaccio 3D (3D-ICE)
Per superare queste difficoltà, i professori Philip LeDuc e Burak Ozdoganlar stanno sviluppando la stampa del ghiaccio 3D (3D-ICE). Questa tecnica utilizza l’acqua come materiale di stampa, applicata attraverso un ugello piezoelettrico sotto forma di piccole gocce su una piattaforma mantenuta a temperatura sotto zero. Le gocce congelano immediatamente al contatto, formando gradualmente una struttura di ghiaccio.
Utilizzi del ghiaccio 3D come materiale sacrificale
“Il ghiaccio 3D potrebbe essere utilizzato come materiale sacrificale per creare canali dalla forma precisa all’interno delle parti prodotte”, spiega LeDuc. Questo approccio è utile in molti settori, dalla creazione di nuovi tessuti alla robotica morbida.
Caratteristiche uniche del processo
Una peculiarità di questo processo è la possibilità di depositare diverse gocce prima che la precedente sia completamente congelata, lasciando un tappo d’acqua sulla struttura stampata. Questo permette la creazione di strutture con pareti, transizioni e diramazioni lisce. Le dimensioni delle strutture possono essere regolate controllando il tasso di deposizione delle gocce e le temperature della superficie di stampa, delle gocce e dell’ambiente.
“La frequenza della deposizione delle gocce influisce sull’altezza e sulla larghezza della struttura”, afferma Ozdoganlar. “Un’applicazione rapida crea strutture più ampie, mentre una lenta produce strutture più strette e alte. Anche la temperatura del substrato ha un effetto significativo.”
Pubblicazione dei risultati
LeDuc e Ozdoganlar hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences. Gli articoli descrivono modelli 2D e 3D che spiegano la fisica della stampa del ghiaccio 3D, compreso il trasferimento di calore e la dinamica dei fluidi. Le strutture di ghiaccio stampate possono essere immerse in una soluzione di resina preraffreddata e polimerizzabile; una volta indurita la resina, il ghiaccio viene sciolto e sublimato, lasciando una forma porosa nella resina.
Applicazioni future e potenziali
Oltre a perfezionare i modelli matematici, i laboratori di LeDuc e Ozdoganlar stanno lavorando per aumentare la scala della stampa di ghiaccio 3D e testarne l’efficacia in varie applicazioni. Ad esempio, la strategia attuale di ingegneria tissutale potrebbe consentire la creazione di tessuti personalizzati che replicano la struttura del sistema vascolare di ciascun paziente. Inoltre, 3D-ICE potrebbe produrre costrutti di tessuti funzionali per la ricerca su malattie o per lo sviluppo di nuove terapie.
Collaborazione e innovazione
“Quando ho iniziato il mio laboratorio, non avrei mai immaginato che saremmo arrivati a stampare ghiaccio in 3D per creare tessuti utili alle persone”, ha dichiarato LeDuc. “Ma la nostra ricerca si è evoluta, unendo competenze diverse. È meraviglioso lavorare insieme in questa scienza e ingegneria transdisciplinare, dove la somma delle parti è decisamente maggiore delle singole componenti.”
