Новая технология 3D-печати позволяет имитировать ткани и части тела человека
Ученые из Техасского университета в Остине совместно с Национальными лабораториями Сандиа и другими исследовательскими центрами разработали новый метод 3D-печати, получивший название CRAFT — регулирование кристалличности при аддитивном производстве термопластов. Технология позволяет создавать трехмерные объекты с резко различающимися механическими и оптическими свойствами буквально на уровне отдельных пикселей, используя один и тот же недорогой материал и стандартные 3D-принтеры.
Результаты работы опубликованы в журнале Science.
Материал-хамелеон вместо сложных смесей
В основе метода лежит широко доступная жидкая смола под названием циклооктен. В обычных условиях после затвердевания она превращается в самый обычный пластик. Однако исследователи обнаружили, что если точно управлять интенсивностью света во время печати, можно менять внутреннюю молекулярную структуру материала.
«Мы можем контролировать упорядоченность на молекулярном уровне в трехмерном пространстве и тем самым полностью менять механические и оптические свойства материала, И все это можно сделать из очень простого и недорогого сырья, просто изменяя интенсивность света. Именно эта простота и делает метод по-настоящему интересным», — объясняет Зак Пейдж, доцент кафедры химии Техасского университета.
Как работает технология CRAFT
CRAFT использует коммерческие DLP- или LCD-принтеры, которые проецируют изображения в оттенках серого в жидкую смолу. Платформа принтера движется вверх и вниз, формируя объект из множества микроскопически тонких слоев. Более яркий свет делает материал твердым и прозрачным, менее интенсивный — мягким и мутным.
В результате в одном и том же объекте можно создать соседние участки с совершенно разными свойствами, без швов и слабых мест. Это принципиально отличает CRAFT от традиционных методов, где приходится комбинировать разные материалы, плохо сцепляющиеся между собой.
Реалистичные модели для медицины
Одним из самых наглядных демонстрационных примеров стала напечатанная командой реалистичная копия человеческой руки. Используя один материал, исследователи смогли воспроизвести характерные свойства кожи, сухожилий, связок и костей, просто меняя параметры освещения.
Это открывает новые возможности для медицинского образования и протезирования. Сегодня студенты, осваивающие сложные хирургические вмешательства, либо работают с дорогими и труднодоступными телами из морга, либо используют пластиковые модели, которые плохо передают поведение живых тканей. CRAFT позволяет создавать долговечные и правдоподобные анатомические модели без этических и логистических проблем.
Защита, звук и вдохновение природой
Помимо медицины, технология подходит для создания защитных и амортизирующих материалов. По словам Пейджа, CRAFT позволяет проектировать «биоинспирированные структуры», в которых твердые и мягкие области чередуются, как в костях или коре деревьев. Такая внутренняя архитектура эффективно поглощает удары и вибрации, не разрушаясь.
Это делает метод перспективным для производства шлемов, элементов индивидуальной защиты и звукоизоляционных материалов.
Доступность и устойчивость
Важное преимущество технологии — его низкий порог входа.
«Принтеры с DLP- или LCD-технологией — одни из самых дешевых на рынке. Такой принтер с поддержкой оттенков серого можно купить за тысячу долларов или даже дешевле и сразу начать печать», — отмечает Пейдж.
Хотя напечатанные изделия нельзя полностью переработать, их можно расплавить или растворить и отлить заново, что снижает количество отходов по сравнению с традиционными методами.
