Microesculturas impresas en 3D con "tintas" macromoleculares avanzadas

Cuando pensamos en la impresión 3D, nuestra mente a menudo salta a las boquillas calientes que expulsan plástico fundido. Otras técnicas populares incluyen el destello de luz brillante en la resina o el uso de láseres para fusionar polvos metálicos. Todas estas técnicas son excelentes para producir piezas con geometrías complicadas a escala de escritorio.

Sin embargo, también es posible imprimir en 3D a escalas completamente microscópicas. Investigadores en Alemania ahora han desarrollado "tintas" macromoleculares avanzadas que se pueden usar para crear esculturas microscópicas en 3D con un control más fino que nunca.

A la vanguardia de la impresión 3D, el equipo de Eva Blasco de la Universidad de Heidelberg ha creado con éxito estructuras impresas en 3D con secuencias moleculares meticulosamente diseñadas. Esta técnica hace eco de la precisión que se encuentra en los polímeros en el mundo natural, similar a la forma en que el ADN puede codificar aminoácidos específicos precisos de composición exacta.

Primero, los investigadores diseñaron meticulosamente la secuencia molecular de sus tintas, con miras a obtener un control sin precedentes de las propiedades fundamentales del producto impreso. En términos más simples, Blasco y su equipo trabajaron para organizar las moléculas en una secuencia personalizada para crear estructuras únicas con propiedades exigentes.

El equipo de Blasco creó una serie de tintas, cada una con permutaciones únicas de ocho unidades moleculares, para observar cómo el cambio de secuencia afecta las propiedades de las estructuras impresas. Estos se denominan polímeros definidos por secuencia o definidos macromolecularmente en la literatura científica. A menudo requieren una síntesis química compleja para producir moléculas con la estructura deseada precisa. Estas moléculas construidas con precisión podrían tener aplicaciones más amplias en ámbitos como el almacenamiento de datos, la criptografía o las aplicaciones farmacéuticas, suponiendo que los investigadores puedan dominar su manipulación a nivel molecular.

En el caso de la investigación de Blasco, el objetivo era determinar si diferentes macromoléculas definidas en secuencia podían crear materiales con diferentes propiedades. El objetivo era diseñar con precisión las moléculas para que se adaptaran a un proceso similar a la impresión 3D llamado impresión láser de dos fotones, o 2PLP. Actualmente popular como herramienta para trabajar con microfluidos y microóptica, se puede utilizar para crear estructuras diminutas a nivel microscópico. La luz láser enfocada se utiliza para polimerizar un material en un punto preciso, una y otra vez, para construir estructuras 3D. En su forma actual, los materiales comerciales actualmente disponibles para este uso se consideran imprecisos en su composición. Por lo tanto, el objetivo era crear tintas molecularmente exactas para este proceso de polimerización.

El equipo de investigación creó tres secuencias diferentes de macromoléculas utilizando (B) unidades no funcionales y fotorreticulables (C). Las secuencias utilizadas fueron alterna (BCBCBCBC), tribloque (CCBBBBCC) y bloque (BBBBCCCC). Los cambios en la secuencia tuvieron efectos directos en la imprimibilidad de las tintas, debido a las distintas estructuras a nivel molecular.

Las tintas se utilizaron para imprimir una variedad de microestructuras que luego se evaluaron en cuanto a sus propiedades mecánicas y químicas. Esto se logró con pruebas de nanoindentación y espectroscopia Raman, respectivamente. Tomó algo de delicadeza, tanto en la síntesis como en el control del proceso de impresión láser, pero el equipo pudo producir una variedad de estructuras utilizando las nuevas tintas.

En particular, los resultados mostraron que la estructura alterna tenía la mejor imprimibilidad de las tres probadas. La estructura de bloque tuvo el módulo de Young más bajo, superada por el tribloque, con la secuencia alternada que registró el resultado más alto y, por lo tanto, exhibió la mayor rigidez. Mientras tanto, el análisis químico mostró que la estructura de bloques requería la potencia de láser más alta para producir estructuras estables, mientras que la versión alterna produjo impresiones estables con potencias de láser más bajas y un menor grado de reticulación.

Las pruebas iniciales anteriores se realizaron en estructuras simples de buckyball impresas con el método 2PLP. Sin embargo, para mostrar mejor el rendimiento de las tintas, el equipo de investigación también imprimió en 3D algunas estructuras más complejas, similar a la forma en que se usa el modelo de referencia Benchy para obtener una visión holística del rendimiento de una impresora 3D normal. Los investigadores imprimieron un modelo de tucán utilizando la tinta de estructura alterna, mostrando un gran saliente de 10 um en el pico del ave. La tinta triblock se usó para imprimir un koala, mostrando un pelaje finamente detallado, mientras que un modelo de canguro se imprimió con la tinta de bloque nuevamente demostrando voladizos exitosos y detalles finos.

El valor de esta investigación es que muestra que se pueden producir tintas definidas por secuencia viables para el proceso de microimpresión 2PLP. Después de todo, tiene sentido que desee controlar sus tintas al nivel más fino posible al producir funciones a escalas micrométricas. Si bien la tecnología se demostró con la producción de microesculturas simples, estas técnicas podrían resultar vitales para una variedad de pequeñas tareas de fabricación. Ya sea que esté considerando la producción de componentes ópticos diminutos, herramientas microfluídicas o microrrobótica, tener el máximo control sobre las propiedades del material a nivel molecular es clave.