В MIT напечатали на 3D-принтере массив из 16 микроскопических сопел для трёхслойных капель
Устройство собирается за часы вместо месяцев в чистой комнате полупроводникового класса
Каждое сопло одновременно выдаёт три вещества, формируя многослойные частицы
Нужен лишь фотополимерный принтер с толщиной слоя 25 микрометров — около $13 000
Трёхмерная печать стремительно проникает практически во все производственные процессы, и в этой области отмечена очередная веха. Команда исследователей из MIT нашла новое применение технологии, напечатав триаксиальные электрораспылительные эмиттеры — крошечные сопла, которые одновременно распыляют несколько жидкостей, застывающих в виде трёхслойных капель. Такие эмиттеры обычно используются при производстве лекарств, но их применение распространяется также на самовосстанавливающиеся материалы и множество других сфер. Работа опубликована в журнале Virtual and Physical Prototyping.
Источник изображения — tomshardware.com
Как работает электрораспыление
Принцип прост: к жидкости на выходе из сопла прикладывается высокое напряжение, и она срывается непрерывным потоком мельчайших капель. Триаксиальное устройство — это три вложенных друг в друга соосных сопла, через которые одновременно подаются три несмешивающиеся жидкости. На выходе получается капля со слоистой структурой, застывающая в составную микрочастицу с чётко разделёнными оболочками.
Важная деталь: чем меньше эмиттер, тем ниже нужное для распыления напряжение, — поэтому миниатюризация здесь не прихоть, а необходимость. Высокое напряжение означает громоздкий источник питания, риск пробоя и разрушение чувствительных биологических молекул, ради которых всё и затевается.
Меньшие по размеру напечатанные массивы сопел теоретически проще и дешевле в изготовлении по сравнению с существующими методами. По имеющимся данным, они значительно эффективнее традиционных конструкций, обеспечивая более стабильное и настраиваемое формирование капель. Отдача одного эмиттера невелика, поэтому для промышленных объёмов нужны именно массивы — и вся сложность в том, чтобы все сопла работали одинаково.
Почему раньше требовалась чистая комната
Сама по себе технология не нова, однако невероятно сложная конструкция и микроскопические допуски этих устройств исторически требовали для их производства чистой комнаты полупроводникового класса. Такое производство занимает месяцы и обходится крайне дорого. Более того, авторы работы не нашли в открытых источниках ни одного упоминания о миниатюрном триаксиальном массиве: существующие технологии коаксиального электрораспыления либо ограничены двумя слоями, либо позволяют задействовать лишь небольшое число сопел одновременно.
Новая разработка позволяет использовать стандартную печать методом ват-полимеризации — послойное засвечивание смолы ультрафиолетом, аналогично тому, что стоматологи применяют для пломбирования зубов, — для создания массива из 16 триаксиальных сопел на площади около одного квадратного сантиметра, причём со всеми их сложными внутренними каналами. Готовое устройство немногим крупнее обычной монеты, а внутри него скрыта сеть спиральных микроканалов, равномерно разводящих жидкости по всем шестнадцати соплам без взаимных помех.
Принципиальное преимущество печати здесь именно в этих каналах: чистая комната формирует структуры послойно и плоско, поэтому сложная объёмная разводка внутри монолитного корпуса для неё почти невыполнима. Печать же строит объём сразу — без сборки, склейки и стыков, которые в микромасштабе становятся источником протечек.
Что дала печать
Трёхмерная печать не только позволяет изготавливать эмиттеры всего за несколько часов, но и даёт возможность улучшить конструкцию по сравнению с существующими вариантами. Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, ведущий научный сотрудник Лаборатории микросистемных технологий MIT, прямо заявляет, что подобное устройство невозможно было бы собрать в полупроводниковой чистой комнате, и подчёркивает: печать позволила быстро перебирать и дорабатывать экспериментальные конструкции.
Команда испытала несколько вариантов геометрии и выяснила, что определяющим фактором стабильности капли и равномерности слоёв оказалась вязкость средней жидкости. Новая модель также позволяет с высокой точностью регулировать расход и напряжение сопел, настраивая каждый микрослой капли.
Если вам интересно, какой принтер для этого нужен, он должен быть способен печатать слои толщиной 25 микрометров, что примерно равно трети толщины человеческого волоса. Использованный командой принтер Asiga Max X27 стоит около $13 000 — сумма, которая является лишь погрешностью по сравнению с огромными затратами, обычно характерными для медицинских исследований. Для сравнения: оснащение чистой комнаты соответствующего класса измеряется миллионами долларов и годами строительства.
Отдельный плюс — модульность. Конструкцию можно размножать плиткой: по оценке разработчиков, на площади порядка 0,09 квадратного метра (примерно 30×30 см) поместилось бы около 15 000 эмиттеров. Это уже уровень, интересный не только лабораториям, но и мелкосерийному производству.
Где это пригодится
Возможность производить капли с такой точностью применима в целом ряде областей, наиболее очевидной из которых являются медицинские приложения. Помимо них разработка потенциально востребована там, где нужны частицы со строго заданной структурой слоёв:
- Многослойные лекарства с отложенным и адресным высвобождением действующего вещества
- Самовосстанавливающиеся материалы, в которых микрокапсулы вскрываются при появлении трещины
- Биосенсоры — по химическому маркеру в каждом из трёх слоёв частицы
- Контрастные вещества для медицинской визуализации
- Покрытия для солнечных батарей и имплантатов
Пример из фармацевтики нагляден: улучшенное многослойное лекарство может иметь защитный слой, растворяющийся в желудке, и второй слой с действующим веществом, активирующийся уже в кишечнике. Помимо пероральных препаратов, микрочастицы полезны для кремов, гелей, раневых повязок и инъекционных лекарств.
Есть у доступности и обратная сторона, о которой стоит помнить: удешевление оборудования не отменяет регуляторной части. Любая лекарственная форма, изготовленная новым способом, проходит те же клинические проверки, что и прежде, — и именно они, а не цена принтера, определяют, когда разработка дойдёт до аптеки.
Дальше исследователи планируют уменьшать структуры ещё сильнее и встраивать в печатаемые устройства проводящие и диэлектрические материалы. Если это удастся, электрораспылительные массивы окончательно перестанут быть привилегией крупных научных центров и станут доступны небольшим лабораториям и командам разработчиков — в том числе университетским группам в СНГ, для которых чистая комната всегда была неподъёмной статьёй расходов.
