Những công nghệ có bước đột phá trong năm 2014 – Phần 6

Công nghệ in 3D siêu nhỏ

tr10.3d.printing.1x948

Phòng thí nghiệm Lewis chứng minh khả năng in 3D sử dụng nhiều chất liệu bằng cách in thử 1 mạng phức tạp bằng nhiều loại mực khác nhau

Sự ra đời của công nghệ in 3D mang lại rất nhiều cảm hứng cho các nhà thiết kế, tuy nhiên khả năng của nó vẫn còn nhiều hạn chế. Mặc dù có thể in được những cấu tạo phức tạp, nhưng phần lớn đều chỉ dùng 1 loại vật liệu là nhựa. Ngay cả khi các nhà sản xuất áp dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất phụ gia, người ta cũng chỉ thêm được 1 số hợp kim vào bảng vật liệu in 3D. Nhưng điều gì sẽ đến khi các máy in 3D có thể dùng nhiều loại “ mực “ khác nhau, từ tế bào sống đến các chất bán dẫn, với độ phân giải cực cao.

Jennifer Lewis, nhà khoa học nghiên cứu về vật liệu tại Đại học Harvard, đã phát triển công nghệ hóa học và máy móc để biến đều này thành hiện thực. Cô đã thực hiện thí nghiệm in 1 cấu trúc hình học phức tạp, sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau tương ứng với chức năng của mỗi bộ phận. Theo cô, đây chính là đột phá mới trong công nghệ in 3D có thể thỏa mãn cả về mặt hình học và chức năng của sản phẩm.

tr10.3d.printing.2x622

Để mô phỏng, cô sử dụng 4 loại mực Polyme, được nhuộm thành 4 màu khác nhau. Mỗi loại mực được đặt trong 1 đầu in tiêu chuẩn.

Các ống mực được thay nhau sử dụng theo 1 quá trình chính xác, tuần tự, điều khiển bởi phần mềm, tạo nên 1 cấu trúc hình học khá sặc sỡ.

Cách đây không lâu, 1 nhóm các nhà khoa học tại đại học Princeton đã thực hiện in tai bionic, kết hợp mô sinh học và điện tử, trong khi đó đội nghiên cứu của đại học Cambridge đã in các tế bào võng mạc để tạo thành mô mắt phức tạp. Thế nhưng, trong số các nghiên cứu nhằm khai thác tiềm năng của công nghệ in 3D đó, phòng thí nghiệm Lewis vẫn đứng đầu trong việc mở rộng bảng vật liệu và các loại sản phẩm in.

Năm ngoái, Lewis và các sinh viên của cô đã cho thấy, họ có thể in chính xác các điện cực siêu nhỏ và các thành phần cần thiết khác, tạo nên pin Lithium tí hon. Một dự án khác của phòng thí nghiệm là in các vật liệu cảm biến lên bảng nhựa mà các vận động viên đeo hàng ngày, nhằm phát hiện chấn thương & đo lường tác động của quá trình tập luyện. Gần đây nhất, nhóm của cô thực hiện in đan xen 1 mạng lưới mạch máu phức tạp. Để thực hiện dự án này, họ đã sử dụng các ống mực – tế bào cùng các nguyên liệu khác, tạo thành 1 ma trận hỗ trợ cho việc in ấn. Việc này đã giải quyết 1 trong những thách thức tồn tại đã lâu, đó là làm sao tạo ra các cơ quan nhân tạo để thử nghiệm thuốc. Tiếp theo đó, làm thế nào có thể tạo ra 1 hệ thống mạch máu để giữ các thế bào sống, như vậy có thể in các cơ quan nhân tạo để làm bộ phận thay thế.

tr10.3d.printing.4x622

Mực làm bằng các hạt nano bạc được sử dụng để in các điện cực nhỏ chỉ một vài micromet. Giống như quá trình in ấn 3-D khác, các hoạt động được điều khiển và giám sát bởi máy tính.

tr10.3d.printing.5x622

Trái: Mục tiêu của Jennifer Lewis là in kiến trúc phức tạp được tích hợp cả yêu cầu về hình dáng và chức năng. Phải: Găng tay với các thiết bị cảm biến sự căng thẳng, được in lên bề mặt găng co dãn

Tại phòng thí nghiệm dưới tầng hầm của văn phòng Lewis, nhóm của cô đã nghiên cứu và lắp ráp 1 thiết bị in 3d với kính hiển vi, có khả năng in các cấu trúc nhỏ đến 1 micromet ( tế bào hồng cầu có đường kính khoảng 10 micromet ). Bên cạnh đó, 1 máy in 3D lớn hơn sử dụng nhiều vòi phun, có thể in đồng thời nhiều loại mực, thiết bị này có thể in 1 mẫu sản phẩm với độ lớn 1m, có cấu trúc cực kỳ chi tiết chỉ trong vài phút.

Chìa khóa sáng tạo của Lewis nằm ở chỗ, các loại mực in của cô có thể cùng in song song với nhau, không cần ngắt quãng hay chờ đợi. Mỗi loại mực là 1 vật liệu khác nhưng đều có thể in ở nhiệt độ phòng. Sẽ có những thách thức khác nhau cần phải khắc phục với mỗi loại vật liệu in, ví dụ như tế bào sống rất nhỏ & dễ bị phá hủy khi đi qua đầu vòi phun. Nhưng nhìn chung, tất cả các vật liệu in đều dùng áp lực để đẩy ra đầu vòi phun và sẽ khô ngay sau khi in.

tr10.3d.printing.6x948

Trái: Máy in 3D lớn, có khả năng in các sản phẩm với kích thước 1m*1m. Bên phải, ảnh trên: Khi in các sản phẩm này, máy in sử dụng 1 mảng 64 hoặc 128 vòi phun để tăng tốc độ in. Bên phải, ảnh dưới: Mẫu in thử – 1 mảng cấu trúc siêu nhỏ được in trong vài phút bằng sáp.

Trước khi đến Harvard, Lewis làm việc tại đại học Illinois. Cô đã nghiên cứu và phát triển kỹ thuật in 3d hơn 10 năm, với các vật liệu in là gốm, sứ, các hạt nano kim loại, polyme và các loại vật liệu khác “không phải vật liệu sinh học “. Khi thiết lập phòng thí nghiệm mới của mình tại Harvard và bắt đầu với việc in tế bào sinh học & các mô, cô hy vọng có thể áp dụng kinh nghiệp đối với các loại vật liệu từ hạt tổng hợp  trong dự án lần này. Đến nay, cô đã thừa nhận rằng ý tưởng này khá ngây thơ. In mạch máu là 1 bước tiến đáng khích lệ, từ đó có thể in các mô nhân tạo có khả năng thực hiện chức năng phức tạp trong các cơ quan. Nhưng làm việc với các tế bào hóa ra là “ thực sự phức tạp “, theo như Lewis “ còn có rất nhiều việc chúng tôi cần phải làm trước khi có thể in được gan, thận với đầy đủ chức năng cần thiết. Những gì chúng tôi đang làm mới chỉ là bước đi đầu tiên”

Nguồn : technologyreview
Eule @ Khoa học 247., Biên dịch

Authors

Related posts

Top