3D

Aug 17, 2023

Ph.D. Candidato em Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade da Flórida

Professor Associado de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, Universidade da Flórida

Os autores não trabalham, prestam consultoria, possuem ações ou recebem financiamento de qualquer empresa ou organização que se beneficiaria com este artigo e não revelaram afiliações relevantes além de sua nomeação acadêmica.

A Universidade da Flórida fornece financiamento como parceira fundadora da The Conversation US.

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Uma nova técnica de impressão 3D usando silicone pode criar modelos precisos dos vasos sanguíneos do cérebro, permitindo que os neurocirurgiões treinem com simulações mais realistas antes de operarem, de acordo com nossa pesquisa publicada recentemente.

Muitos neurocirurgiões praticam cada cirurgia antes de entrarem na sala de cirurgia com base em modelos do que sabem sobre o cérebro do paciente. Mas os modelos atuais que os neurocirurgiões usam para treinamento não imitam bem os vasos sanguíneos reais. Eles fornecem feedback tátil irreal, carecem de detalhes estruturais pequenos, mas importantes, e muitas vezes excluem componentes anatômicos inteiros que determinam como cada procedimento será realizado. Réplicas realistas e personalizadas de cérebros de pacientes durante simulações pré-operatórias podem reduzir erros em procedimentos cirúrgicos reais.

A impressão 3D, no entanto, poderia fazer réplicas com o toque suave e a precisão estrutural de que os cirurgiões precisam.

A impressão 3D é normalmente considerada um processo que envolve a colocação de camada após camada de plástico derretido que se solidifica à medida que uma estrutura autossustentável é construída. Infelizmente, muitos materiais macios não derretem e solidificam novamente da mesma forma que o filamento de plástico que as impressoras 3D normalmente empregam. Os usuários só têm uma chance com materiais macios como o silicone – eles precisam ser impressos no estado líquido e depois solidificados de forma irreversível.

Como você cria uma forma 3D complexa a partir de um líquido sem acabar com uma poça ou bolha?

Os pesquisadores desenvolveram uma abordagem ampla chamada impressão 3D incorporada para essa finalidade. Com essa técnica, a “tinta” é depositada dentro de um banho de um segundo material de suporte projetado para fluir ao redor do bico de impressão e reter a tinta no local logo após o afastamento do bico. Isso permite que os usuários criem formas complexas a partir de líquidos, mantendo-os presos no espaço tridimensional até chegar a hora de solidificar a estrutura impressa. A impressão 3D incorporada tem sido eficaz para estruturar uma variedade de materiais macios, como hidrogéis, micropartículas e até células vivas.

No entanto, a impressão com silicone continua desafiadora. O silicone líquido é um óleo, enquanto a maioria dos materiais de suporte são à base de água. O óleo e a água têm uma alta tensão interfacial, que é a força motriz por trás da razão pela qual as gotículas de óleo assumem formas circulares na água. Essa força também causa a deformação das estruturas de silicone impressas em 3D, mesmo em um meio de suporte.

Pior ainda, essas forças interfaciais fazem com que componentes de silicone de pequeno diâmetro se quebrem em gotículas à medida que são impressas. Muitas pesquisas foram feitas para fazer materiais de silicone que podem ser impressos sem suporte, mas essas modificações pesadas também modificam as propriedades que interessam aos usuários, como o quão macio e elástico o silicone é.

Como pesquisadores que trabalham na interface da física da matéria mole, da engenharia mecânica e da ciência dos materiais, decidimos enfrentar o problema da tensão interfacial desenvolvendo um material de suporte feito de óleo de silicone.

Concluímos que a maioria das tintas de silicone seriam quimicamente semelhantes ao nosso material de suporte de silicone, reduzindo assim drasticamente a tensão interfacial, mas também diferentes o suficiente para permanecerem separadas quando unidas para impressão 3D. Criamos muitos materiais de suporte candidatos, mas descobrimos que a melhor abordagem era fazer uma emulsão densa de óleo de silicone e água. Pode-se pensar nisso como uma maionese cristalina, feita a partir de microgotículas de água embaladas em um continuum de óleo de silicone. Chamamos esse método de fabricação aditiva com tensão interfacial ultrabaixa, ou AMULIT.