Le logo du laboratoire DeSimone imprimé en 3D, présentant une géométrie buckyball, démontre la capacité du système r2rCLIP à produire des formes complexes et non moulables avec des caractéristiques à l’échelle micronique. Crédit : DeSimone Research Group, SEM, avec l’aimable autorisation de Stanford Nano Shared Facilities
Un nouveau procédé d’impression 3D à micro-échelle crée des particules de presque toutes les formes pour des applications en médecine, en fabrication, en recherche et bien plus encore, à un rythme pouvant atteindre 1 million de particules par jour.
Les particules microscopiques imprimées en 3D, si petites qu’elles ressemblent à de la poussière à l’œil nu, ont des applications dans l’administration de médicaments et de vaccins, la microélectronique, la microfluidique et les abrasifs pour la fabrication complexe. Cependant, la nécessité d’une coordination précise entre l’apport de lumière, le mouvement de la scène et les propriétés de la résine rend difficile la fabrication évolutive de telles particules microscopiques personnalisées. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de Stanford ont introduit une technique de traitement plus efficace, capable d’imprimer jusqu’à 1 million de particules microscopiques hautement détaillées et personnalisables par jour.
« Nous pouvons désormais créer des formes beaucoup plus complexes jusqu’à l’échelle microscopique, à des vitesses qui n’ont jamais été démontrées auparavant pour la fabrication de particules, et à partir d’une large gamme de matériaux », a déclaré Jason Kronenfeld, doctorant au laboratoire DeSimone à Stanford et auteur principal de l’article qui détaille ce processus, publié aujourd’hui dans Nature.
Ce travail s’appuie sur une technique d’impression connue sous le nom de production continue d’interface liquide, ou CLIP, introduite en 2015 par DeSimone et ses collègues. CLIP utilise la lumière UV, projetée en tranches, pour durcir rapidement la résine et lui donner la forme souhaitée. La technique repose sur une fenêtre perméable à l’oxygène au-dessus du projecteur de lumière UV. Cela crée une « zone morte » qui empêche la résine liquide de durcir et de coller à la fenêtre. En conséquence, les détails délicats peuvent être durcis sans déchirer chaque couche d’une fenêtre, ce qui conduit à une impression de particules plus rapide.
« Utiliser la lumière pour fabriquer des objets sans moules ouvre un tout nouvel horizon dans le monde des particules », a déclaré Joseph DeSimone, professeur Sanjiv Sam Gambhir en médecine translationnelle à Stanford Medicine et auteur correspondant de l’article. « Et nous pensons que le faire de manière évolutive ouvre la voie à des opportunités d’utilisation de ces particules pour piloter les industries du futur. Nous sommes impatients de voir où cela peut nous mener et où d’autres peuvent utiliser ces idées pour faire avancer leurs propres aspirations.
Rouler à rouler
Le procédé inventé par ces chercheurs pour produire en masse des particules de forme unique, plus petites que la largeur d’un cheveu humain, rappelle une chaîne de montage. Cela commence par un film soigneusement tendu puis envoyé à l’imprimante CLIP. Chez l’imprimeur, des centaines de formes sont imprimées en même temps sur le film, puis la chaîne d’assemblage avance pour laver, durcir et retirer les formes – des étapes qui peuvent toutes être personnalisées en fonction de la forme et du matériau impliqués. À la fin, le film vide est enroulé, donnant à l’ensemble du processus le nom de CLIP roll-to-roll, ou r2rCLIP. Avant r2rCLIP, un lot de particules imprimées devait être traité manuellement, un processus lent et laborieux. L’automatisation de r2rCLIP permet désormais des taux de fabrication sans précédent allant jusqu’à 1 million de particules par jour.
Si cela ressemble à une forme familière de fabrication, c’est intentionnel.
« Vous n’achetez pas des produits que vous ne pouvez pas fabriquer », a déclaré DeSimone, qui est également professeur de génie chimique à l’École d’ingénierie. « Les outils que la plupart des chercheurs utilisent sont des outils pour réaliser des prototypes et des bancs d’essai, ainsi que pour prouver des points importants. Mon laboratoire s’intéresse à la science de la fabrication translationnelle : nous développons des outils qui permettent une mise à l’échelle. C’est l’un des meilleurs exemples de ce que cette concentration signifie pour nous.
Il existe des compromis dans l’impression 3D entre la résolution et la vitesse. Par exemple, d’autres procédés d’impression 3D peuvent imprimer beaucoup plus petits – à l’échelle nanométrique – mais sont plus lents. Et bien sûr, l’impression 3D macroscopique a déjà pris pied (littéralement) dans la fabrication de masse, sous la forme de chaussures, d’articles ménagers, de pièces de machines, de casques de football, de prothèses dentaires, d’appareils auditifs, etc. Ce travail aborde les opportunités entre ces mondes.
« Nous naviguons dans un équilibre précis entre vitesse et résolution », a déclaré Kronenfeld. « Notre approche est particulièrement capable de produire des résultats haute résolution tout en préservant le rythme de fabrication requis pour répondre aux volumes de production de particules que les experts considèrent comme essentiels pour diverses applications. Les techniques ayant un potentiel d’impact translationnel doivent être facilement adaptables de l’échelle du laboratoire de recherche à celle de la production industrielle.
Dur et doux
Les chercheurs espèrent que le processus r2rCLIP sera largement adopté par d’autres chercheurs et l’industrie. Au-delà de cela, DeSimone estime que l’impression 3D en tant que domaine évolue rapidement au-delà des questions sur le processus et vers des ambitions sur les possibilités.
« r2rCLIP est une technologie fondamentale », a déclaré DeSimone. « Mais je crois que nous entrons désormais dans un monde axé davantage sur les produits 3D eux-mêmes que sur le processus. Ces processus deviennent clairement précieux et utiles. Et maintenant la question est : quelles sont les applications à forte valeur ajoutée ?
De leur côté, les chercheurs ont déjà expérimenté la production de particules dures et molles, constituées de céramiques et d’hydrogels. Le premier pourrait voir des applications dans la fabrication de produits microélectroniques et le second dans l’administration de médicaments dans le corps.
« Il existe un large éventail d’applications et nous commençons tout juste à les explorer », a déclaré Maria Dulay, chercheuse scientifique principale au laboratoire DeSimone et co-auteur de l’article. « C’est assez extraordinaire, là où nous en sommes avec cette technique. »
D’autres co-auteurs sont Lukas Rother, qui était étudiant invité à la maîtrise au moment de ces travaux, et Max Saccone, chercheur postdoctoral en génie chimique et radiologie. DeSimone est également professeur, par courtoisie, de chimie à l’École des sciences humaines et des sciences, de science et d’ingénierie des matériaux à l’École d’ingénierie, et d’opérations, d’information et de technologie à la Graduate School of Business. Il est membre de Stanford Bio-X, de la Wu Tsai Human Performance Alliance et du Stanford Cancer Institute, et membre du corps professoral de Sarafan ChEM-H, codirecteur du Canary Center de Stanford pour la détection précoce du cancer et professeur fondateur. directeur du Center for STEMM Mentorship à Stanford.
Cette recherche a été financée en partie par la Fondation Bill & Melinda Gates et le programme de bourses de recherche supérieures de la National Science Foundation. Une partie de ce travail a été réalisée dans les installations partagées de Stanford Nano, soutenues par la National Science Foundation.
