3D

Aug 02, 2023

Ph.D. Kandidat für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, University of Florida

Außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, University of Florida

Die Autoren arbeiten nicht für ein Unternehmen oder eine Organisation, die von diesem Artikel profitieren würde, beraten sie nicht, besitzen keine Anteile daran oder erhalten keine Finanzierung von ihnen und haben über ihre akademische Anstellung hinaus keine relevanten Verbindungen offengelegt.

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Laut unserer kürzlich veröffentlichten Studie kann eine neue 3D-Drucktechnik unter Verwendung von Silikon genaue Modelle der Blutgefäße in Ihrem Gehirn erstellen und es Neurochirurgen ermöglichen, vor der Operation mit realistischeren Simulationen zu trainieren.

Viele Neurochirurgen üben jede Operation, bevor sie den Operationssaal betreten, anhand von Modellen dessen, was sie über das Gehirn des Patienten wissen. Aber die aktuellen Modelle, die Neurochirurgen für die Ausbildung verwenden, ahmen echte Blutgefäße nicht gut nach. Sie bieten ein unrealistisches taktiles Feedback, es fehlen kleine, aber wichtige strukturelle Details und sie schließen oft ganze anatomische Komponenten aus, die bestimmen, wie jeder Eingriff durchgeführt wird. Realistische und personalisierte Nachbildungen der Gehirne von Patienten während präoperativer Simulationen könnten Fehler bei realen chirurgischen Eingriffen reduzieren.

Durch den 3D-Druck könnten jedoch Nachbildungen mit der weichen Haptik und der strukturellen Genauigkeit hergestellt werden, die Chirurgen benötigen.

Unter 3D-Druck versteht man typischerweise einen Prozess, bei dem Schicht für Schicht geschmolzener Kunststoff aufgetragen wird, der sich verfestigt, während eine selbsttragende Struktur entsteht. Leider schmelzen und verfestigen sich viele weiche Materialien nicht so wie die Kunststofffilamente, die normalerweise in 3D-Druckern verwendet werden. Bei weichen Materialien wie Silikon gibt es für den Anwender nur eine Chance – sie müssen im flüssigen Zustand gedruckt und anschließend irreversibel verfestigt werden.

Wie kann man aus einer Flüssigkeit eine komplexe 3D-Form formen, ohne dass am Ende eine Pfütze oder ein herabfallender Klecks entsteht?

Zu diesem Zweck entwickelten Forscher einen umfassenden Ansatz namens „Embedded 3D Printing“. Bei dieser Technik wird die „Tinte“ in einem Bad aus einem zweiten Trägermaterial abgelagert, das so konzipiert ist, dass es um die Druckdüse herumfließt und die Tinte an der Stelle festhält, direkt nachdem sich die Düse wegbewegt. Auf diese Weise können Benutzer komplexe Formen aus Flüssigkeiten erstellen, indem sie diese im dreidimensionalen Raum gefangen halten, bis die Zeit gekommen ist, die gedruckte Struktur zu verfestigen. Der eingebettete 3D-Druck hat sich bei der Strukturierung einer Vielzahl weicher Materialien wie Hydrogele, Mikropartikel und sogar lebender Zellen bewährt.

Das Drucken mit Silikon ist jedoch weiterhin eine Herausforderung. Flüssiges Silikon ist ein Öl, während die meisten Trägermaterialien wasserbasiert sind. Öl und Wasser haben eine hohe Grenzflächenspannung, die die treibende Kraft dafür ist, dass Öltröpfchen im Wasser kreisförmige Formen annehmen. Diese Kraft führt auch dazu, dass sich 3D-gedruckte Silikonstrukturen verformen, selbst in einem Trägermedium.

Schlimmer noch: Diese Grenzflächenkräfte führen dazu, dass Silikonelemente mit kleinem Durchmesser beim Drucken in Tröpfchen zerfallen. Es wurde viel Forschung in die Herstellung von Silikonmaterialien gesteckt, die ohne Träger gedruckt werden können, aber diese starken Modifikationen verändern auch die Eigenschaften, die den Benutzern wichtig sind, wie etwa die Weichheit und Dehnbarkeit des Silikons.

Als Forscher an der Schnittstelle von Physik der weichen Materie, Maschinenbau und Materialwissenschaften haben wir beschlossen, das Problem der Grenzflächenspannung durch die Entwicklung eines Trägermaterials aus Silikonöl anzugehen.

Wir gingen davon aus, dass die meisten Silikontinten unserem Silikonträgermaterial chemisch ähnlich sind und dadurch die Grenzflächenspannung drastisch reduzieren, sich aber auch so unterscheiden, dass sie beim Zusammensetzen für den 3D-Druck getrennt bleiben. Wir haben viele unterstützende Materialien für Kandidaten erstellt, aber festgestellt, dass der beste Ansatz darin besteht, eine dichte Emulsion aus Silikonöl und Wasser herzustellen. Man kann es sich wie kristallklare Mayonnaise vorstellen, die aus gepackten Mikrotröpfchen Wasser in einem Kontinuum aus Silikonöl hergestellt wird. Wir nennen diese Methode Additive Fertigung bei ultraniedriger Grenzflächenspannung oder AMULIT.

Mit unserem AMULIT-Trägermedium konnten wir handelsübliches Silikon mit hoher Auflösung drucken und Strukturen mit einem Durchmesser von nur 8 Mikrometern (ca. 0,0003 Zoll) erzeugen. Die bedruckten Strukturen sind genauso dehnbar und langlebig wie ihre traditionell geformten Gegenstücke.

Diese Fähigkeiten ermöglichten es uns, genaue Modelle der Gehirnblutgefäße eines Patienten auf der Grundlage eines 3D-Scans sowie ein funktionierendes Herzklappenmodell auf der Grundlage der durchschnittlichen menschlichen Anatomie in 3D zu drucken.

Silikon ist ein wichtiger Bestandteil unzähliger Produkte, von alltäglichen Konsumgütern wie Kochgeschirr und Spielzeug bis hin zu fortschrittlichen Technologien in der Elektronik-, Luft- und Raumfahrt- und Gesundheitsindustrie.

Silikonprodukte werden typischerweise hergestellt, indem flüssiges Silikon in eine Form gegossen oder eingespritzt wird und der Guss nach dem Erstarren entfernt wird. Die Kosten und Schwierigkeiten bei der Herstellung hochpräziser Formen beschränken die Hersteller auf Produkte mit nur wenigen vorgegebenen Größen, Formen und Designs. Das beschädigungsfreie Entfernen empfindlicher Silikonstrukturen aus Formen stellt eine zusätzliche Hürde dar, und beim Formen hochkomplizierter Strukturen nehmen Herstellungsfehler zu.

Die Bewältigung dieser Herausforderungen könnte die Entwicklung fortschrittlicher silikonbasierter Technologien im Gesundheitswesen ermöglichen, wo personalisierte Implantate oder patientenspezifische Nachahmungen physiologischer Strukturen die Pflege verändern könnten.