Nova tehnika 3D štampanja koja koristi silikon može da napravi tačne modele krvnih sudova u vašem mozgu, omogućavajući neurohirurzima da treniraju sa realističnijim simulacijama pre nego što operišu, prema našem istraživanju nedavno objavljenom u časopisu Science.
Mnogi neurohirurzi praktikuju svaku operaciju pre nego što uđu u operacionu salu na osnovu modela onoga što znaju o mozgu pacijenta. Ali trenutni modeli koje neurohirurzi koriste za obuku ne oponašaju dobro prave krvne sudove. Oni pružaju nerealnu taktilnu povratnu informaciju, nedostaju mali, ali važni strukturni detalji i često isključuju čitave anatomske komponente koje određuju kako će se svaka procedura izvesti. Realistične i personalizovane replike mozga pacijenata tokom simulacija pre operacije mogle bi da smanje greške u stvarnim hirurškim procedurama.
3D štampanje, međutim, moglo bi da napravi replike sa mekim osećajem i strukturnom preciznošću koja je potrebna hirurzima.
3D štampanje se obično smatra procesom koji uključuje polaganje sloja za slojem istopljene plastike koja se učvršćuje dok se gradi samonoseća struktura. Nažalost, mnogi meki materijali se ne tope i ponovo učvršćuju na način na koji to rade plastični filamenti koje obično koriste 3D štampači. Korisnici dobijaju samo jednu priliku sa mekim materijalima kao što je silikon — oni moraju da se odštampaju dok su u tečnom stanju, a zatim da se nepovratno očvrsnu.
Kako napraviti složeni 3D oblik od tečnosti, a da ne završite sa lokvicom ili spuštenom mrlju?
Istraživači su za ovu svrhu razvili širok pristup koji se naziva ugrađeno 3D štampanje. Ovom tehnikom, „mastilo“ se odlaže u kadu drugog potpornog materijala dizajniranog da teče oko mlaznice za štampanje i zarobi mastilo na mestu odmah nakon što se mlaznica udalji. Ovo omogućava korisnicima da kreiraju složene oblike od tečnosti tako što ih drže zarobljene u trodimenzionalnom prostoru dok ne dođe vreme da se štampana struktura učvrsti. Ugrađena 3D štampa je bila efikasna za strukturiranje raznih mekih materijala kao što su hidrogelovi, mikročestice, pa čak i žive ćelije.
Međutim, štampanje silikonom i dalje je izazov. Tečni silikon je ulje, dok je većina pomoćnih materijala na bazi vode. Nafta i voda imaju visoku međufaznu napetost, što je pokretačka snaga zašto kapljice ulja poprimaju kružne oblike u vodi. Ova sila takođe uzrokuje deformaciju 3D štampanih silikonskih struktura, čak i u medijumu za podršku.
Što je još gore, ove međufazne sile dovode do toga da se silikonske karakteristike malog prečnika razbiju u kapljice dok se štampaju. Dosta istraživanja je uloženo u pravljenje silikonskih materijala koji se mogu štampati bez podloge, ali ove teške modifikacije takođe menjaju svojstva do kojih je korisnicima stalo, kao što je to koliko je silikon mekan i rastezljiv. Istraživači istražuju organe za 3D štampanje koristeći žive ćelije.
Kao istraživači koji rade na interfejsu fizike meke materije, mašinstva i nauke o materijalima, odlučili smo da se pozabavimo problemom međufazne napetosti tako što smo razvili potporni materijal napravljen od silikonskog ulja.
Smatrali smo da će većina silikonskih mastila biti hemijski slična našem silikonskom potpornom materijalu, čime se dramatično smanjuje međufazna napetost, ali i dovoljno različita da ostane odvojena kada se sastavi za 3D štampanje. Napravili smo mnogo materijala za podršku kandidatima, ali smo otkrili da je najbolji pristup napraviti gustu emulziju od silikonskog ulja i vode. O tome se može razmišljati kao o kristalno čistom majonezu, napravljenom od upakovanih mikrokapljica vode u kontinuumu silikonskog ulja. Ovu metodu nazivamo aditivna proizvodnja pri ultra-niskom međufaznom naponu, ili AMULIT.
Sa našim medijumom za podršku AMULIT, bili smo u mogućnosti da štampamo silikon u visokoj rezoluciji, stvarajući karakteristike od samo 8 mikrometara (oko 0,0003 inča) u prečniku. Štampane strukture su rastezljive i izdržljive kao i njihove tradicionalno oblikovane kolege.
Ove mogućnosti su nam omogućile da 3D štampamo precizne modele krvnih sudova mozga pacijenta na osnovu 3D skeniranja, kao i funkcionalnog modela srčanog zaliska zasnovanog na prosečnoj ljudskoj anatomiji.
Silikon je kritična komponenta bezbrojnih proizvoda, od svakodnevnih potrošačkih dobara kao što su posuđe i igračke do naprednih tehnologija u elektronici, vazduhoplovstvu i industriji zdravstvene zaštite.
Silikonski proizvodi se obično prave sipanjem ili ubrizgavanjem tečnog silikona u kalup i uklanjanjem odlivaka nakon očvršćavanja. Troškovi i teškoća proizvodnje visoko preciznih kalupa ograničavaju proizvođače na proizvode sa samo nekoliko unapred određenih veličina, oblika i dizajna. Uklanjanje delikatnih silikonskih struktura iz kalupa bez oštećenja je dodatna prepreka, a proizvodni nedostaci se povećavaju kada se oblikuju veoma složene strukture.
Prevazilaženje ovih izazova moglo bi omogućiti razvoj naprednih tehnologija zasnovanih na silikonu u zdravstvenoj industriji, gde bi personalizovani implantati ili imitacije fizioloških struktura specifičnih za pacijente mogle da transformišu negu.
