Исследователи из Университета Флориды разработали технологию печати силикона внутри микрогеля, которая уже способна существенно оптимизировать производство медицинских имплантатов. Данное достижение позволяет создавать изделия, превосходящие по надежности и полной экономической эффективности существующие на рынке аналоги. Речь идет о производстве таких компонентов, как сердечные клапаны, мягкие катетеры, дренажные инструменты, имплантируемые сетки и другие хирургические аксессуары. В настоящее время изготовление подобных устройств требует использования прессов, что при необходимости индивидуальных параметров формы или размера может привести к многодневным задержкам в подготовке к операции. Использование технологии 3D-печати сокращает срок производства до нескольких часов, что потенциально позволяет оперативно получать необходимые детали и спасать жизни пациентов в критических ситуациях.

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.

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.

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 в журнале Science Advances (doi:10.1126/sciadv.1602800).

Для любознательных

На сегодняшний день технология высокоточной 3D-печати силиконом внутри микрогелевой среды активно разрабатывается, и в мире есть несколько ключевых игроков и исследовательских групп, продвигающих эту область. В России пока нет широко известных коммерческих компаний, специализирующихся именно на 3D-печати силикона в микрогеле, но есть научные центры, работающие в смежных направлениях аддитивных технологий и биопечати.

Вот кто именно занимается этой технологией в мире:

1. Университет Флориды (University of Florida, США) — именно здесь была разработана методика 3D-печати силиконом в микрогелевой среде. Исследователи создали специальный микрогель на основе минерального масла, совместимый с силиконами, что позволило решить проблему нестабильности формы при экструзии. Эта технология позволяет печатать микроструктуры с разрешением до 30 микрон, что открывает путь к созданию биосовместимых имплантатов, таких как трахеи, насосы с клапанами и распределительные системы.
2. Массачусетский технологический институт (MIT, США) — ранее разработал концепцию 3D-печати в гелевой среде (например, для биопечати тканей), которая легла в основу метода, применённого в Университете Флориды. MIT остаётся одним из лидеров в области поддержки материалов при печати.
3. Wacker Chemie / ACEO (Германия) — хотя они не используют микрогель, компания ACEO (дочерняя структура Wacker Chemie) является мировым лидером в многоматериальной 3D-печати силиконами. Их технологии позволяют комбинировать силиконы разной твёрдости, цвета и электропроводности в одном изделии, что особенно востребовано в медицине и «мягкой» робототехнике. Это не микрогелевая печать, но очень близко по применению — например, создание анатомических моделей и протезов.
4. BMF (Boston Micro Fabrication, США) — специализируется на микро-3D-печати с разрешением до 2 микрон, но использует технологию PµSL (проекционная микростереолитография) и светочувствительные смолы, а не силикон в геле. Однако их оборудование может применяться для создания матриц и форм, используемых в последующей заливке силикона.

Что касается России, то пока прямых аналогов таких разработок нет, но:

• НИТУ «МИСиС», Сколтех, МФТИ и СПбПУ ведут исследования в области биопечати, мягких материалов и аддитивных технологий. Например, в Сколтехе разрабатывают методы печати гидрогелями и полимерами, близкими по свойствам к силиконам.
• Компании вроде 3D Vision (дистрибьютор промышленных 3D-принтеров) тесно сотрудничают с международными производителями и могут внедрять передовые технологии, включая силиконовую печать, в российские проекты.

Таким образом, лидеры в этой области — США и Германия, а в России пока доминируют академические исследования, близкие к этой теме, но без коммерциализации именно микрогелевой силиконовой печати.