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May 18, 2023

Microsculture stampate in 3D con “inchiostri” macromolecolari avanzati

When we think about 3D printing, our mind often jumps to hot nozzles squirting

Quando pensiamo alla stampa 3D, la nostra mente spesso corre agli ugelli caldi che spruzzano plastica fusa. Altre tecniche popolari includono l'uso di luce intensa nella resina o l'uso di laser per fondere insieme polveri metalliche. Tutte queste tecniche sono ottime per produrre parti con geometrie complicate su scala desktop.

Tuttavia, è anche possibile stampare in 3D su scala del tutto microscopica. Alcuni ricercatori tedeschi hanno ora sviluppato “inchiostri” macromolecolari avanzati che possono essere utilizzati per creare microscopiche sculture 3D con un controllo più preciso che mai.

All’avanguardia nella stampa 3D, il team di Eva Blasco dell’Università di Heidelberg ha creato con successo strutture stampate in 3D con sequenze molecolari meticolosamente progettate. Questa tecnica riecheggia la precisione riscontrata nei polimeri nel mondo naturale, simile al modo in cui il DNA può codificare amminoacidi precisamente specifici di composizione precisa.

I ricercatori hanno innanzitutto progettato meticolosamente la sequenza molecolare dei loro inchiostri, con l'obiettivo di ottenere un controllo senza precedenti sulle proprietà fondamentali del prodotto stampato. In termini più semplici, Blasco e il suo team hanno lavorato per organizzare le molecole in una sequenza personalizzata per creare strutture uniche con proprietà precise.

Il team di Blasco ha creato una serie di inchiostri, ciascuno con permutazioni uniche di otto unità molecolari, per osservare come il cambiamento della sequenza influisce sulle proprietà delle strutture stampate. Nella letteratura scientifica questi vengono definiti polimeri a sequenza definita o macromolecolarmente definiti. Spesso richiedono una sintesi chimica complessa per produrre molecole con la precisa struttura desiderata. Queste molecole costruite con precisione potrebbero avere applicazioni più ampie in ambiti come l’archiviazione di dati, la crittografia o le applicazioni farmaceutiche, presupponendo che i ricercatori riescano a padroneggiarne la manipolazione a livello molecolare.

Nel caso della ricerca di Blasco, lo scopo era determinare se diverse macromolecole definite in sequenza potessero creare materiali con proprietà diverse. L’obiettivo era progettare con precisione le molecole per adattarle a un processo simile alla stampa 3D chiamato stampa laser a due fotoni o 2PLP. Attualmente popolare come strumento per lavorare con la microfluidica e la microottica, può essere utilizzato per creare minuscole strutture a livello microscopico. La luce laser focalizzata viene utilizzata per polimerizzare un materiale in un punto preciso, più e più volte, per costruire strutture 3D. Allo stato attuale, i materiali commerciali attualmente disponibili per questo uso sono considerati imprecisi nella composizione. Pertanto, l’obiettivo era creare inchiostri molecolarmente esatti per questo processo di polimerizzazione.

Il gruppo di ricerca ha creato tre diverse sequenze di macromolecole utilizzando unità (B) non funzionali e fotoreticolabili (C). Le sequenze utilizzate erano alternate (BCBCBCBC), triblocco (CCBBBBCC) e blocco (BBBBCCCC). I cambiamenti nella sequenza hanno avuto effetti diretti sulla stampabilità degli inchiostri, a causa delle strutture distinte a livello molecolare.

Gli inchiostri sono stati utilizzati per stampare una varietà di microstrutture di cui sono state poi valutate le proprietà meccaniche e chimiche. Ciò è stato ottenuto rispettivamente con test di nanoindentazione e spettroscopia Raman. È stata necessaria una certa abilità, sia nella sintesi che nel controllo del processo di stampa laser, ma il team è stato in grado di produrre una varietà di strutture utilizzando i nuovi inchiostri.

In particolare, i risultati hanno mostrato che la struttura alternata aveva la migliore stampabilità tra le tre testate. La struttura a blocchi aveva il modulo di Young più basso, surclassato dal triblocco, con la sequenza alternata che ha ottenuto il risultato più alto, esibendo quindi la maggiore rigidità. Nel frattempo, l’analisi chimica ha mostrato che la struttura a blocchi richiedeva la massima potenza laser per produrre strutture stabili, mentre la versione alternata produceva stampe stabili con potenze laser inferiori e un grado inferiore di reticolazione.

I test iniziali di cui sopra sono stati eseguiti su semplici strutture di buckyball stampate con il metodo 2PLP. Tuttavia, per mostrare meglio le prestazioni degli inchiostri, il team di ricerca ha anche stampato in 3D alcune strutture più complesse, in modo simile al modo in cui il modello di riferimento Benchy viene utilizzato per ottenere una visione olistica delle prestazioni di una normale stampante 3D. I ricercatori hanno stampato un modello di tucano utilizzando l'inchiostro a struttura alternata, mostrando una grande sporgenza di 10 um sul becco dell'uccello. L'inchiostro triblock è stato utilizzato per stampare un koala, mettendo in mostra la pelliccia finemente dettagliata, mentre un modello di canguro stampato con l'inchiostro block ha dimostrato ancora una volta sporgenze riuscite e dettagli raffinati.