Согласно нашему исследованию, недавно опубликованному в журнале Science, новый метод 3D-печати с использованием силикона может создавать точные модели кровеносных сосудов в вашем мозгу, позволяя нейрохирургам тренироваться с более реалистичными симуляциями перед операцией.

Многие нейрохирурги практикуют каждую операцию, прежде чем попасть в операционную, основываясь на моделях того, что они знают о мозге пациента. Но современные модели, которые нейрохирурги используют для обучения, плохо имитируют настоящие кровеносные сосуды . Они обеспечивают нереалистичную тактильную обратную связь, не имеют мелких, но важных структурных деталей и часто исключают целые анатомические компоненты, определяющие, как будет выполняться каждая процедура. Реалистичные и персонализированные копии мозга пациентов во время предоперационного моделирования могут уменьшить количество ошибок в реальных хирургических процедурах.

Тем не менее, 3D- печать может создавать копии с мягкостью на ощупь и структурной точностью, необходимой хирургам.

3D-печать обычно рассматривается как процесс, который включает в себя укладку слоя за слоем расплавленного пластика, который затвердевает по мере создания самонесущей конструкции. К сожалению, многие мягкие материалы не плавятся и не затвердевают так, как пластиковая нить, которую обычно используют 3D-принтеры. Пользователи получают только один снимок с мягкими материалами, такими как силикон , — они должны быть напечатаны в жидком состоянии , а затем необратимо затвердеть.

Формирование жидкостей в 3D

Как сделать сложную трехмерную форму из жидкости, не превратившись в лужу или падающую каплю?

Для этой цели исследователи разработали широкий подход, называемый встроенной 3D-печатью . С помощью этого метода «чернила» помещаются в ванну со вторым вспомогательным материалом, предназначенным для обтекания печатного сопла и улавливания чернил в месте сразу после того, как сопло отходит. Это позволяет пользователям создавать сложные формы из жидкостей, удерживая их в трехмерном пространстве до тех пор, пока не придет время затвердевать печатной структуре. Встроенная 3D-печать оказалась эффективной для структурирования различных мягких материалов, таких как гидрогели, микрочастицы и даже живые клетки.

Однако печать силиконом остается сложной задачей. Жидкий силикон представляет собой масло, в то время как большинство поддерживающих материалов имеют водную основу. Нефть и вода имеют высокое поверхностное натяжение , что является движущей силой того, почему капли масла в воде принимают круглую форму. Эта сила также вызывает деформацию силиконовых структур, напечатанных на 3D-принтере, даже в опорной среде.

Хуже того, эти межфазные силы заставляют силиконовые элементы малого диаметра распадаться на капли во время печати. Было проведено множество исследований по созданию силиконовых материалов, которые можно печатать без подложки , но эти тяжелые модификации также изменяют свойства, которые важны для пользователей, например, насколько силикон мягкий и эластичный.

3D-печать силиконом с помощью AMULIT

Как исследователи, работающие на стыке физики мягкого вещества, машиностроения и материаловедения , мы решили решить проблему межфазного натяжения, разработав опорный материал из силиконового масла .

Мы пришли к выводу, что большинство силиконовых чернил будут химически схожи с нашим силиконовым вспомогательным материалом, что значительно снизит межфазное натяжение , но при этом достаточно различны, чтобы оставаться разделенными при сборке для 3D-печати. Мы создали множество материалов-кандидатов для поддержки, но пришли к выводу, что лучше всего сделать плотную эмульсию из силиконового масла и воды. Можно представить его как кристально чистый майонез, сделанный из упакованных микрокапель воды в континууме силиконового масла. Мы называем этот метод аддитивным производством при сверхнизком межфазном натяжении или АМУЛИТ.

С помощью нашей вспомогательной среды AMULIT мы смогли печатать готовый силикон с высоким разрешением, создавая детали диаметром до 8 микрометров (около 0,0003 дюйма). Напечатанные структуры такие же эластичные и долговечные, как и их традиционно формованные аналоги.

Эти возможности позволили нам напечатать на 3D-принтере точные модели кровеносных сосудов головного мозга пациента на основе 3D-сканирования, а также модель функционирующего сердечного клапана на основе средней анатомии человека.

3D силиконовая печать в здравоохранении

Силикон является важнейшим компонентом бесчисленных продуктов , от товаров повседневного спроса, таких как кухонная посуда и игрушки, до передовых технологий в электронной, аэрокосмической и медицинской отраслях.

Силиконовые изделия обычно изготавливают путем заливки или впрыскивания жидкого силикона в форму и удаления отливки после затвердевания. Дороговизна и сложность изготовления высокоточных пресс-форм ограничивают производителей изделиями лишь нескольких заранее определенных размеров, форм и конструкций. Удаление тонких силиконовых структур из форм без повреждений является дополнительным барьером, а производственные дефекты увеличиваются при формовании очень сложных конструкций.

Преодоление этих проблем может позволить разработать передовые технологии на основе силикона в сфере здравоохранения, где персонализированные имплантаты или индивидуальные имитации физиологических структур могут изменить уход за пациентами.