Impresión 3D de materiales blandos

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Unos investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un nuevo método de impresión tridimensional (3D) de geles y otros materiales blandos. Publicado en un nuevo artículo, tiene el potencial de crear estructuras complejas con precisión a escala nanométrica. Debido a que muchos geles son compatibles con las células vivas, el nuevo método podría impulsar la producción de pequeños dispositivos médicos blandos, como sistemas de administración de fármacos o electrodos flexibles que puedan ser insertados en el cuerpo humano.

Una impresora 3D estándar crea estructuras sólidas creando láminas de material – típicamente plástico o goma – y construyéndolas capa por capa, como una lasaña, hasta que se crea el objeto completo.

Usar una impresora 3D para fabricar un objeto hecho de gel es «un proceso de cocción un poco más delicado», dijo el investigador del NIST Andrei Kolmakov. En el método estándar, la cámara de la impresora 3D se llena con una sopa de polímeros de cadena larga – largos grupos de moléculas unidas entre sí – disueltos en agua. Luego se añaden «especias», moléculas especiales que son sensibles a la luz. Cuando la luz de la impresora 3D activa esas moléculas especiales, cosen las cadenas de polímeros de manera que forman una estructura esponjosa como una red. Este andamiaje, todavía rodeado de agua líquida, es el gel.

Habitualmente, las modernas impresoras de gel en 3D han utilizado luz ultravioleta o láser visible para iniciar la formación del andamiaje de gel. Sin embargo, Kolmakov y sus colegas han centrado su atención en una técnica de impresión 3D diferente para fabricar geles, utilizando haces de electrones o rayos X. Debido a que estos tipos de radiación tienen una mayor energía, o una longitud de onda más corta, que la luz ultravioleta y la luz visible, estos haces pueden estar más estrechamente enfocados y por lo tanto producen geles con detalles estructurales más finos. Tal detalle es exactamente lo que se necesita para la ingeniería de tejidos y muchas otras aplicaciones médicas y biológicas. Los electrones y los rayos X ofrecen una segunda ventaja: no requieren un conjunto especial de moléculas para iniciar la formación de geles.

En la actualidad, sin embargo, las fuentes de esta radiación estrechamente enfocada y de corta longitud de onda – microscopios electrónicos de barrido y microscopios de rayos X – solo pueden operar en el vacío. Y eso es un problema porque en el vacío el líquido de cada cámara se evapora en lugar de formar un gel.

Kolmakov y sus colegas del NIST y del Elettra Sincrotrone Trieste, en Italia, resolvieron el problema y demostraron la impresión tridimensional de gel en líquidos colocando una barrera ultrafina – una fina lámina de nitruro de silicio – entre el vacío y la cámara líquida. La fina lámina protege al líquido de la evaporación (como lo haría normalmente en el vacío) pero permite que los rayos X y los electrones penetren en el líquido. El método permitió al equipo utilizar el procedimiento de impresión tridimensional para crear geles con estructuras tan pequeñas como 100 nanómetros (nm), unas 1.000 veces más delgadas que un cabello humano. Al perfeccionar su método, los investigadores esperan imprimir estructuras en los geles tan pequeñas como 50 nm, el tamaño de un pequeño virus.

Algunas estructuras futuras hechas con este método podrían incluir electrodos inyectables flexibles para monitorear la actividad cerebral, biosensores para la detección de virus, micro robots blandos, y estructuras que puedan emular e interactuar con células vivas y proveer un medio para su crecimiento.

«Estamos trayendo nuevas herramientas – haces de electrones y rayos X operando en líquidos – para la impresión en 3D de materiales blandos», dijo Kolmakov. Él y sus colaboradores describieron su trabajo en un artículo publicado en la revista ACS Nano.

Con información de: Noticias de la Ciencia