הדפסת התלת מימד המהפכנית של סטנפורד משחררת מיליוני פלאים בקנה מידה מיקרו

תהליך חדש להדפסה תלת מימדית בקנה מידה יוצר חלקיקים כמעט בכל צורה עבור יישומים ברפואה, ייצור, מחקר ועוד – בקצב של עד מיליון חלקיקים ביום.

לחלקיקים מיקרוסקופיים מודפסים בתלת-ממד, כל כך קטנים עד שבעין בלתי מזוינת הם נראים כמו אבק, יש יישומים במתן תרופות וחיסונים, מיקרו-אלקטרוניקה, מיקרו-נוזל וחומרים שוחקים לייצור מורכב. עם זאת, הצורך בתיאום מדויק בין אספקת האור, תנועת הבמה ותכונות השרף הופך את הייצור הניתן להרחבה של חלקיקים בקנה מידה בקנה מידה כזה למאתגר. כעת, חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד הציגו טכניקת עיבוד יעילה יותר שיכולה להדפיס עד 1 מיליון חלקיקים בקנה מידה בקנה מידה מיקרו, מפורט מאוד וניתן להתאמה אישית ביום.

"עכשיו אנחנו יכולים ליצור צורות הרבה יותר מורכבות עד לקנה מידה מיקרוסקופי, במהירויות שלא הוצגו לייצור חלקיקים בעבר, ומתוך מגוון רחב של חומרים", אמר ג'ייסון קרוננפלד, מועמד לדוקטורט במעבדת DeSimone בסטנפורד המחבר הראשי של המאמר המפרט את התהליך הזה, שפורסם היום ב טֶבַע.

עבודה זו מתבססת על טכניקת הדפסה המכונה ייצור ממשק נוזלי מתמשך, או CLIP, שהוצגה ב-2015 על ידי DeSimone ועמיתיו לעבודה. CLIP משתמש באור UV, המוקרן בפרוסות, כדי לרפא שרף במהירות לצורה הרצויה. הטכניקה מסתמכת על חלון חדיר חמצן מעל מקרן אור ה-UV. זה יוצר "אזור מת" שמונע מהשרף הנוזלי להתרפא ולהיצמד לחלון. כתוצאה מכך, ניתן לרפא תכונות עדינות מבלי לקרוע כל שכבה מחלון, מה שמוביל להדפסת חלקיקים מהירה יותר.

"השימוש באור לייצור חפצים ללא תבניות פותח אופק חדש לגמרי בעולם החלקיקים", אמר ג'וזף דה-סימון, פרופסור סנג'יב סם גמפיר לרפואה מתרגמת בסטנפורד רפואה ומחבר המקביל של המאמר. "ואנחנו חושבים שביצוע זה בצורה ניתנת להרחבה מוביל להזדמנויות לשימוש בחלקיקים האלה כדי להניע את תעשיות העתיד. אנחנו נרגשים לאן זה יכול להוביל ולאן אחרים יכולים להשתמש ברעיונות האלה כדי לקדם את השאיפות שלהם".

רול לגלגל

התהליך שהמציאו החוקרים הללו לייצור המוני של חלקיקים בעלי צורה ייחודית שקטנים מרוחב שערה אנושית מזכיר פס ייצור. זה מתחיל בסרט שנמתח בקפידה ולאחר מכן נשלח למדפסת CLIP. במדפסת, מאות צורות מודפסות בבת אחת על הסרט ולאחר מכן פס הייצור עובר לכביסה, ריפוי והסרה של הצורות – שלבים שניתן להתאים את כולם בהתאם לצורה ולחומר המעורבים. בסוף הסרט הריק מגולגל בחזרה, מה שנותן לכל התהליך את השם roll-to-roll CLIP, או r2rCLIP. לפני r2rCLIP, אצווה של חלקיקים מודפסים תצטרך לעבור עיבוד ידני, תהליך איטי ועתיר עבודה. האוטומציה של r2rCLIP מאפשרת כעת קצבי ייצור חסרי תקדים של עד מיליון חלקיקים ביום.

אם זה נשמע כמו צורה מוכרת לייצור, זה בכוונה.

"אתה לא קונה דברים שאתה לא יכול לעשות," אמר DeSimone, שהוא גם פרופסור להנדסה כימית בבית הספר להנדסה. "הכלים שרוב החוקרים משתמשים בהם הם כלים להכנת אבות טיפוס ומיטות בדיקה, ולהוכחת נקודות חשובות. המעבדה שלי עוסקת במדע ייצור תרגום – אנו מפתחים כלים המאפשרים קנה מידה. זו אחת הדוגמאות הגדולות למשמעות ההתמקדות הזו עבורנו".

יש פשרות בהדפסת תלת מימד של רזולוציה מול מהירות. לדוגמה, תהליכי הדפסה תלת מימדיים אחרים יכולים להדפיס הרבה יותר קטן – בקנה מידה ננומטרי – אבל הם איטיים יותר. וכמובן, הדפסת תלת מימד מקרוסקופית כבר קיבלה דריסת רגל (תרתי משמע) בייצור המוני, בדמות נעליים, כלי בית, חלקי מכונות, קסדות כדורגל, תותבות, מכשירי שמיעה ועוד. עבודה זו עוסקת בהזדמנויות בין העולמות הללו.

"אנו מנווטים באיזון מדויק בין מהירות ורזולוציה", אמר קרוננפלד. "הגישה שלנו מסוגלת באופן מובהק לייצר תפוקות ברזולוציה גבוהה תוך שמירה על קצב הייצור הנדרש כדי לעמוד בנפחי ייצור החלקיקים שמומחים רואים בהם חיוניים עבור יישומים שונים. טכניקות בעלות פוטנציאל להשפעה מתרגמת חייבות להיות ניתנות להתאמה מרמת מעבדת המחקר לזו של ייצור תעשייתי."

קשה ורך

החוקרים מקווים שתהליך r2rCLIP יקבל אימוץ נרחב על ידי חוקרים אחרים ותעשייה. מעבר לכך, DeSimone מאמין שהדפסת תלת מימד כתחום מפתחת במהירות שאלות עבר לגבי התהליך ולקראת שאיפות לגבי האפשרויות.

"r2rCLIP היא טכנולוגיה בסיסית", אמר DeSimone. "אבל אני כן מאמין שאנחנו נכנסים עכשיו לעולם שמתמקד במוצרי תלת מימד עצמם יותר מאשר בתהליך. תהליכים אלה הופכים בעלי ערך ושימושיים בעליל. ועכשיו השאלה היא: מהן היישומים בעלי הערך הגבוה?"

החוקרים מצדם כבר התנסו בייצור חלקיקים קשים ורכים כאחד, עשויים מקרמיקה ומהידרוג'לים. הראשון יכול היה לראות יישומים בייצור מיקרואלקטרוניקה והאחרון באספקת תרופות בגוף.

"יש מגוון רחב של יישומים, ואנחנו רק מתחילים לחקור אותם", אמרה מריה דוליי, מדענית מחקר בכירה במעבדת DeSimone ומחברת שותפה של המאמר. "זה די יוצא דופן, איפה אנחנו נמצאים עם הטכניקה הזו."

מחברים שותפים נוספים הם לוקאס רות'ר, שהיה אורח סטודנט לתואר שני בזמן עבודה זו, ומקס סאקונה, פוסט-דוקטורט בהנדסה כימית ורדיולוגיה. DeSimone הוא גם פרופסור, באדיבות, לכימיה בבית הספר למדעי הרוח והמדעים, מדעי החומרים והנדסת בית הספר להנדסה, ותפעול, מידע וטכנולוגיה בבית הספר למנהל עסקים. הוא חבר ב-Stanford Bio-X, ב-Wu Tsai Human Performance Alliance וב-Stanford Cancer Institute, ועמית סגל של Sarafan ChEM-H, מנהל שותף של המרכז הקנרי בסטנפורד לגילוי מוקדם של סרטן, והפקולטה המייסדת. מנהל המרכז לחונכות STEMM בסטנפורד.

מחקר זה מומן בחלקו על ידי קרן ביל ומלינדה גייטס ותוכנית המלגות למחקר בוגר של קרן המדע הלאומית. חלק מעבודה זו בוצע במתקנים המשותפים של סטנפורד ננו, בתמיכת הקרן הלאומית למדע.