Инженеры освоили 3D-печать силиконом внутри микрогеля

Учёные из Университета Флориды научились печатать силиконом внутри микрогеля. Это открытие обещает значительно продвинуть вперёд технику создания медицинских имплантатов: они станут более надёжными, дешёвыми и удобными, чем все имплантаты, доступные на рынке сегодня. И это не то, что вы подумали, а совсем другое. Например, сердечные клапаны, а также мягкие катетеры, инструменты для дренирования, имплантируемые сетки и другие хирургические аксессуары.

В настоящее время такие устройства приходится формовать на прессах. Если требуется специфическая форма и размер, то процедура ожидания операции может затянуться на несколько дней или даже недель. Не каждый пациент доживёт, пока ему изготовят силиконовую деталь нужной формы. 3D-печать сокращает время изготовления до нескольких часов, что теоретически может кому-то спасти жизнь.

Микрогель — это вздутые микрочастицы, образованные из межсоединённых полимеров. У них есть весьма специфические и полезные реологические свойства, то есть специфическое сочетание деформации и текучести. Поэтому их изготавливают в промышленных масштабах для использования в качестве лубрикантов, продуктов личной гигиены, для покрытия материалов и даже для сбора нефти. Под воздействием экстремального давления микрогель превращается в жидкость — такое не происходит спонтанно при нагревании вещества. Именно это свойство (временное превращение в жидкость) используется для 3D-печати жидких объектов внутри микрогеля.

Обычные методы промышленного производства — синтез с набуханием — ограничивали сферу применения микрогелей. Но несколько лет назад учёные освоили 3D-печать, и тогда для этого материала нашлась совершенно новую ипостась. Сдавленный микрогель используют для печати уникальных структур из гидрогеля и силикона, и даже конструктов для поддержки живых клеток. При такой технике печатаемый материал буквально физически зажат в пространство упакованного микрогеля, который временно превращается в жидкость под воздействием печатающего (инъекционного) наконечника, а затем быстро возвращается в прежнее гелеобразное состояние. Таким образом появляется возможность печатать мягкие и хрупкие материалы внутри контейнера с высокой точностью. Такую технику применили исследователи из Университета Флориды. Научная группа несколько лет работает над 3D-печатью живых органов и тканей, а данный проект стал побочным результатом их исследований.

Главным научным открытием в данном случае является химическая структура контейнера. Прежние микрогели на водяной основе не позволяли печатать жидким силиконом, который буквально растворялся в контейнере. Поэтому учёные разработали материал на масляной основе, с которым «краска» не смешивается.

Время изготовления хирургических аксессуаров и имплантатов сокращается на порядок, что само по себе огромное достижение. Но при этом ещё и появляется возможность изготавливать детали более сложной формы. Некоторые типы изделий, вроде трубочек для дренирования с клапанами, чувствительными к давлению, вообще невозможно изготовить на прессе в один этап. Это сложная и кропотливая работа. Теперь их можно будет просто напечатать.

Напечатанные силиконовые объекты

«Наш новый материал обеспечивает поддержку жидкому силикону и допускает 3D-печать очень сложных структур и даже инкапсулированных частей из силиконового эластомера», — говорит ведущий автор научной работы Кристофер О’Брайан (Christopher O’Bryan), докторант отделения механической и аэрокосмической техники.

В этой области не совсем уместно говорить о финансах, но изготовленные новым способом аксессуары должны быть значительно дешевле, чем нынешние.

Предположительно, с появлением новой техники можно будет разработать даже новые терапевтические устройства, которые способны инкапсулировать вещества — и выпускать их в небольших количествах внутри организма. Это лекарства или молекулы, которые стимулируют рост тканей в нужных местах. Если пофантазировать, то когда-нибудь в будущем мы начнём буквально наращивать мышцы, сосуды и нервную ткань поверх скелета — строить человеческое тело практически с нуля, как в научной фантастике.

Печать органов и тканей остаётся основной целью группы исследователей из Университета Флориды, и они продолжают эксперименты с 3D-принтерами и различными материалами. По мнению инженеров, такое станет возможно через несколько десятилетий. Это довольно далёкое будущее, поэтому они ненадолго отвлеклись на побочный проект печати силиконовых имплантатов — изобретение, которое можно использовать уже сегодня.

Научная работа опубликована 10 мая 2017 года в журнале Science Advances (doi:10.1126/sciadv.1602800).