3D-печать сахаром обычно ассоциируется исключительно с кулинарией и кондитерским делом. А раз так — то с чем-то несерьезным и бесполезным с практической точки зрения (хотя десерты, это конечно, здорово).
Недавнее открытие ученых из Иллинойса изменит такое отношение. Они разработали метод свободной печати изомальтом и уже применяют его в работе с микрожидкостными устройствами и биологическими тканями. А вообще руководитель исследовательской группы — директор Ракового центра Иллинойса, и созданная разработка будет помогать в изучении раковых опухолей.
Пару слов о печати сахаром для кондитеров
Первыми догадались заправить в 3D-принтер сахар калифорнийские дизайнеры Кайл и Лиз фон Хассельн еще в 2013 году. Согласно устоявшейся легенде, они хотели сделать торт на день рождения подруги, но у них не было духовки. Поэтому торт они решили напечатать. После множества попыток они все-таки сделали верхушку для небольшого кекса с напечатанным именем подруги (пока разбирались, ее день рождения уже прошел). Решив, что это перспективное направление, супруги основали компанию The Sugar Lab и начали делать съедобные арт-объекты. В том же 2013 году стартап приобрела компания 3D Systems.
В 2014-м 3D Systems начала массовое производство принтеров для печати сахаром. В них используется послойный метод создания объектов. Сначала — слой материала, затем — слой воды, которая используется как закрепитель. Готовые объекты получаются прочными и хорошо держат форму.
Работы The Sugar Lab. Источник фото
Помимо промышленных гигантов, идею начали развивать отдельные энтузиасты — такие, как голландец Джулиан Синг. К разработанному собственноручно принтеру он сделал специальный сахарный порошок, в который добавил связующий агент.
В 2014-м 3D Systems начала массовое производство принтеров для печати сахаром. В них используется послойный метод создания объектов. Сначала — слой материала, затем — слой воды, которая используется как закрепитель. Готовые объекты получаются прочными и хорошо держат форму.
Работы The Sugar Lab. Источник фото
Помимо промышленных гигантов, идею начали развивать отдельные энтузиасты — такие, как голландец Джулиан Синг. К разработанному собственноручно принтеру он сделал специальный сахарный порошок, в который добавил связующий агент.
Инженеры университета штата Иллинойс создали 3D-принтер, который печатает сахаром и позволяет создавать детализированные структуры — такие, которые не могут напечатать коммерческие 3D-принтеры. Вместо послойного создания объекта этот принтер делает сеть тонких нитей из затвердевшего изомальта — вида сахарного спирта, который используется в леденцах от кашля.
Возглавил проект директор Ракового центра Иллинойса Рохит Бхаргава. Он профессор инженерных наук и давно сотрудничает с химиками, электротехниками и машиностроителями. В силу специализации Бхаргава занимается исследованиями в сфере онкологии. Новый метод позволит усовершенствовать методику этих исследований.
Ученые обратили внимание не на обычную сахарозу, а на один из ее вариантов. Это изомальт, пищевая добавка E953 – ее используют в изготовлении продуктов для диабетиков. Изомальт безвреден для организма, при этом сладкий на вкус и хорошо плавится. Поэтому его также массово используют в приготовлении конфет, мороженого, шоколада и других сладостей.
Пример декора изомальтом
Кристаллы изомальта легко нагревать и плавить. Но главное, что материал быстро застывает и сохраняет форму, которую ему задали. Он почти не деформируется при охлаждении, а пластичность сахара помогает максимально детализировать объекты.
По словам Бхаргавы, печать изомальтом — это отличный способ создать каркас для закрепления на нем мягких тканей, выращивания клеток или тканей. Впоследствии этот каркас самостоятельно растворится. Одно из возможных применений — выращивание тканей или исследование опухолей в лабораторных условиях. Клеточные культуры обычно выращивают на плоской основе (в чашках Петри). Это позволяет понять некоторые характеристики клеток, но это не самый эффективный способ посмотреть на функционирование системы в теле: «В теле все имеет четко определенные формы, а форма и функция очень тесно связаны».
В опубликованном отчете исследователи описывают материалы и механизмы свободной печати изомальтом. «Свободная» здесь означает, что по мере того как сопло движется в пространстве, расплавленный материал застывает в прочную структуру.
Печать другими видами сахара уже была изучена раньше, но там наблюдались проблемы с горением и кристаллизацией материала. Команда обнаружила, что изомальт подходит для 3D-печати и менее подвержен горению и кристаллизации. Затем исследователям пришлось построить принтер с правильной комбинацией механических деталей: с нужной температурой плавления, давлением в экструдере, нужным диаметром сопла и скоростью движения.
Одно из преимуществ получаемых изомальтовых структур — возможность создавать тонкие трубки с круглыми поперечными сечениями, что невозможно при использовании обычной полимерной печати. Когда сахар растворяется, он оставляет ряд связанных цилиндрических трубок и туннелей, которые могут использоваться как кровеносные сосуды для транспортировки питательных веществ в ткани или для создания каналов в микрожидкостных устройствах.
Другое преимущество — возможность точного контроля механических характеристик каждой части структуры благодаря внесению незначительных изменений в параметры печати.
«Например, мы печатаем кролика. Задавая различные параметры печати, мы можем сделать так, что механические свойства хвоста, спины и ушей кролика будут разными, — говорит Бхаргава. — Это очень важно для биологических исследований. При послойной печати один и тот же материал выделяется в одинаковом объеме, поэтому очень сложно настроить различные механические свойства».
Группа Бхаргавы уже использует изомальтовые каркасы в микрожидкостных устройствах и работе с клеточными культурами. Сейчас ученые разрабатывают покрытие для этих каркасов, чтобы контролировать скорость их растворения.
Больше о новых устройствах и техниках 3D-печати — на 3D Print Expo. До завтрашнего дня включительно мы снизили стоимость билетов.
