فناوری پرینت 4 بعدی
همانطور که در مطلب قبلی اشاره شد فناوری پرینت 4 بعدی فناوری جدید و نوظهور است. از این رو فیلامنت پرینت چهار بعدی در حال توسعه هستند. در مطلب قبل برخی از فیلامنت های پاسخگو به محرک های فیزیکی عوامل و کاربردهایشان را معرفی کردیم در این مطلب نیز دیگر فیلامنت های پاسخگو به محرک های فیزیکی را معرفی میکنیم همچنین به برخی از کاربرد های آنها اشاره خواهیم داشت.
فیلامنت های واکنش دهنده به محرک های مغناطیسی
مواد پاسخ‌دهنده مغناطیسی از نانوذرات مغناطیسی فرومغناطیسی یا پارامغناطیسی (MNPs) تشکیل شده‌اند که می‌توانند را به میدان‌های مغناطیسی پاسخ می دهند. این مواد به طور گسترده در کاربردهای زیست پزشکی مانند سیستم مهندسی بافت استفاده می شوند.
پرینتر سه بعدی یک ابزار عالی و منظم برای ایجاد طرح های چند فراهم می کند. اخیراً چاپ سه بعدی چند ماده ای توجه را به خود جلب کرده است زیرا امکان ادغام چندین ماده را در یک شیء سه بعدی در یک فرآیند چاپ واحد فراهم می کند.
هنگامی که با پلیمرهای پاسخگو با محرک ها ترکیب می شوند پرینتر سه بعدی با استفاده از یک بعد زمان اضافی در مقایسه با چاپ سه بعدی سنتی به چاپ 4 بعدی تبدیل می شود. توانایی اشیاء 4 بعدی برای تغییر شکل خود در طول زمان در پاسخ به یک محرک محیطی برای سیستم‌های مختلف رباتیک و محرک نرم مفید بوده است. فیلامنت های پاسخگو به محرک مقناطیسی کنونی می‌توانند حرکاتی مانند خم شدن پرش ، تا کردن و غلتیدن را نشان دهند.
روش استفاده از فیلامنت های محرک مغناطیسی
فیلامنت های محرک مغناطیسی به صورت هیدروژل هستند. این هیدروژل ها در سرنگ‌های پلاستیکی 3 میلی‌لیتری با پیش سازهای هیدروژل پر می شوند. این مواد یک شب در دمای 8 درجه سانتیگراد نگهداری می شوند. سپس این مواد را به مدت 15 دقیقه قبل از پرینت 5800 دور در دقیقه سانتریفیوژ می کنند تا حباب های هوا از بین بروند.
کارتریج هایی که با جوهر مغناطیسی بارگذاری می شوند قبل از پرینت برای آرایش مغناطیسی MNP به مدت 20 دقیقه در معرض میدان مغناطیسی قرار میگیرند. طرح های سه بعدی به یک فایل STL تبدیل می شوند و سپس به نرم افزار چاپگر وارد می شوند.
فرآیند پرینت با جایگذاری کارتریج در هد پرینتر سه بعدی آغاز می شود.
سپس جوهر به صورت پنوماتیک از طریق سرنگ در شرایط بهینه چاپ و دمای اتاق اکسترود می شود. لایه ها در طول مسیر طراحی بر روی یک صفحه قرار میگیرند. در طول اکسترود شدن ارتفاع صفحه برای حفظ رسوب گذاری مناسب و دقیق لایه تنظیم میشود.
فیلامنت های پاسخگوی نوری
فیلامنت های پاسخگوی نوری می توانند سیگنال های نوری خارجی را دریافت و آنها را به پاسخ های مکانیکی تبدیل کنند. این فیلامنت های حساس به نور را می توان با نور در محدوده طول موج نسبتاً وسیعی فعال کرد. این نوع فیلامنت با نور های مادون قرمز، فروسرخ و ماوراء بنفش فعال می شوند. این فیلامنت ها به طور گسترده در کاربردهای زیست پزشکی مانند انتشار تحت کنترل دارو و مهندسی بافت استفاده می شوند.
فتوایزومریزاسیون و تجزیه نوری زنجیره‌های پلیمری رایج ترین مکانیسم های پاسخ برای مواد پاسخ دهنده به نور است. فیلامنت هایی که با این مکانیسم تولید می شوند به طور گسترده برای ساخت ساختارهای فعال و تغییر شکل چهار بعدی مورد استفاده قرار میگیرند.
نمونه
به عنوان مثال برای آزمایش با فیلامنت PLA حافظه دار واکنش دهنده به اشعه ماوراء بنفش یک لوله پرینت کردند. سپس قطعه پرینتی را با اشعه ماوراء بنفش مورد آزمایش قرار دادند. این فیلامنت قابلیت های حافظه شکل با فشار بالا و همچنین ویژگی خود ترمیمی را از خود نشان داد و راه را برای توسعه پرینت 4 بعدی هموار کرد.
علاوه بر این تجزیه نوری این فیلامنت های زیستی کنترل زمانی و مکانی را در زمان تخریب فیلامنت ها فراهم می‌کند. تخریب نوری این فیلامنت زیستی را می توان با بهره برداری از ویژگی های پاسخگوی نوری آنها و ایجاد محیط های هیدروژل دینامیک انجام داد.
برای مثال برای کنترل بخش‌های تجزیه پذیر نوری ماده کومارین را به فیلامنت ها اضافه کردند تا سرعت تجزیه زیستی آن را تنظیم کند. علاوه بر این از یک استراتژی تخریب نوری زیست مواد قابل برنامه ریزی برای ساخت رگ های عروقی اندوتلیال چند سلولی سه بعدی از فیلامنت های مملو از سلول های زیستی استفاده کردند.
با استفاده از این فیلامنت ها و دستگاه های پرینتر سه بعدی و با استفاده از فناوری لیتوگرافی می توان شبکه‌هایی از رگ ها با اندازه‌ها و مقیاس‌های مشابه با رگ عروقی انسان به راحتی از طریق کنترل 4 بعدی قابل برنامه ریزی پرینت کرد. بنابراین فیلامنت های زیستی 4 بعدی پاسخگوی نوری با توجه به ویژگی حافظه شکل پتانسیل حفاظت از خود در برابر ویژگی‌های تخریب دینامیکی خارج سلولی را دارند.
با این حال تضعیف شدید نور توسط بافت های بیولوژیکی یک چالش است. این چالش را می توان با بررسی استفاده از نور فوق مادون قرمز که جذب بافت زنده و آسیب کمتری برای بافت ها دارند. همچنین نفوذ بافت موثرتری نسبت به نور UV دارند برطرف کرد.
فیلامنت های پاسخگوی صوتی
فیلامنت های پاسخگوی صوتی نیز در سیستم‌های رهاسازی دارو و مهندسی بافت استفاده شده‌اند. الگودهی نیروی صوتی یک فناوری بالقوه است که می تواند برای ساخت سکوهای سلولی کنترل مکان به روشی بدون تماس ،سریع و دقیق استفاده شود.
یک فیلامنت با قابلیت خود ترمیمی و پاسخگو به صوت را در نظر بگیرید که برای کنترل فضایی و زمانی نزدیک دیجیتالی دارو تولیدمی شود. از امواج صوتی برای تخریب اتصالات یونی فیلامنت ها استفاده می شود
یک ساختار مغز مانند سه بعدی چند لایه نیز از طریق پیش سازهای عصبی معلق از طریق نیروهای تابش صوتی مبتنی بر امواج ایستاده میدان نزدیک ساخته شد. این امر نشان می دهد فیلامنت های پاسخگوی صوتی این پتانسیل را دارند که در چاپ زیستی 4 بعدی در مهندسی بافت استفاده شوند.
کلام آخر
پرینت 4 بعدی توانایی ساخت ساختارهای دارای برنامه‌ریزی و عملکردی را به روشی کنترل‌شده ارائه می‌دهد. علاوه بر این پیشرفت پرینت چهار بعدی با توجه به کاربرد گسترده آن می تواند در زمینه زیست پزشکی مورد استفاده قرار گیرد. در عین حال انتظار می‌رود مطالعات بیشتری برای حل چالش‌های موجود پرینت 4 بعدی به عنوان یک روش قدرتمند برای ایجاد معماری‌های پویا و سلسله مراتبی بافت‌ها یا اندام‌های طبیعی انجم بگیرد.