A review of polymer 3D printing technology: materials, process and design strategies for medical applications
Subject Areas :
amir
hasnvand
1
(aut university)
Keywords: 3D printing, polymers, mesh technology, engineering, medical,
Abstract :
چكيده انگليسي Polymer 3D printing is an emerging technology that further research in this field will lead to continuous improvement of polymer 3D printing design performance, which is necessary to push the boundaries in engineering and medicine. Polymer 3D printing provides the possibility of printing low-cost functional parts with various properties and capabilities. Here, by reviewing research on materials, processes and related strategies applied for medical applications, it is presented. Research in materials has led to the development of polymers with useful properties for mechanics and biocompatibility, by tuning the mechanical properties achieved by changing the parameters of the printing process. Polymer 3D printing technologies include extrusion, sheet lamination, Vat photo polymerization, additive layer, powder-based fusion, material projection, direct energy deposition. Thermal and laser inkjet techniques are more common. The two technologies of sheet exfoliation and direct energy deposition have limited medical applications. Which enables the direct deposition of design materials for useful and customized architectures. Design strategies, such as the hierarchical distribution of materials, make it possible to balance contrasting properties. The most investigated medical applications include tissue scaffolds, dental implants, medical education, delivery systems, and drug safety devices. And finally, the challenges and obstacles of polymer 3D printing were studied.
[1] Egan, P.F.; Bauer, I.; Shea, K.; Ferguson, S.J. Mechanics of Three-Dimensional Printed Lattices for Biomedical Devices. J. Mech. Des, 141, 031703, 2019.
[2] Provenzano, D.; Rao, Y.J.; Mitic, K.; Obaid, S.N.; Pierce, D.; Huckenpahler, J.; Berger, J.; Goyal, S.; Loew, M.H. Rapid Prototyping of Reusable 3D-Printed N95 Equivalent Respirators at the George Washington University, 2020030444. 2020.
[3] Moniruzzaman, M.; O’Neal, C.; Bhuiyan, A.; Egan, P.F. Design and Mechanical Testing of 3D Printed Hierarchical Lattices Using Biocompatible Stereolithography, 4, 22. 2020.
[4] Arabnejad, S.; Johnston, R.B.; Pura, J.A.; Singh, B.; Tanzer, M.; Pasini, D. High-strength porous biomaterials for bone replacement: A strategy to assess the interplay between cell morphology, mechanical properties, bone ingrowth and manufacturing constraints. Acta Biomater, 30, 345–356. 2016.
[5] Wang X, Ao Q, Tian X, et al. 3D bioprinting technologies for hard tissue and organ engineering. Materials; 9, 802. 2016.
[6] Gross B.C, Erkal J.L, Lockwood S.Y, Chen C, Spenc e D.M. Evaluation of 3D Printing and its Potential Impact on Biotechnology and the Chemical Sciences. ACS Publications; 2014.
[7] Xu Y, Wu X, Guo X, et al. The boom in 3D-printed sensor technology. Sensors; 17, 1166. 2017.
[8] Alifui-Segbaya, F.; Varma, S.; Lieschke, G.J.; George, R. Biocompatibility of Photopolymers in 3D Printing. 3d Print. Addit. Manuf, 4, 185–191. 2017.
[9] Miller, A.T.; Safranski, D.L.; Wood, C.; Guldberg, R.E.; Gall, K. Deformation and fatigue of tough 3D printed elastomer scaffolds processed by fused deposition modeling and continuous liquid interface production. J. Mech. Behav. Biomed. Mater, 75, 1–13. 2017.
[10] Nuseir, A.; Hatamleh, M.M.d.; Alnazzawi, A.; Al-Rabab’ah, M.; Kamel, B.; Jaradat, E. Direct 3D printing of flexible nasal prosthesis: Optimized digital workflow from scan to fit. J. Prosthodont, 28, 10–14. 2019.
[11] Egan, P.; Wang, X.; Greutert, H.; Shea, K.; Wuertz-Kozak, K.; Ferguson, S. Mechanical and biological characterization of 3D printed lattices. 3d Print. Addit. Manuf, 6, 73–81. 2019.
[12] Crump, M.R.; Bidinger, S.L.; Pavinatto, F.J.; Gong, A.T.; Sweet, R.M.; MacKenzie, J.D. Sensorized tissue analogues enabled by a 3D-printed conductive organogel. Npj Flex. Electron, 5, 1–8. 2021.
[13] ACFoAM Technologies, ACFoAMTSFo Terminology. Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies. ASTM International; 2012.
[14] Liaw C.-Y, Guvendiren M. Current and emerging applications of 3D printing in medicine. Biofabrication; 9:024102. 2017.
[15] Ikuta K, Hirowatari K. Real three dimensional micro fabrication using stereo lithography and metal molding, Micro Electro Mechanical Systems. In: MEMS’93, Proceedings an Investigation of Micro Structures, Sensors, Actuators, Machines and Systems IEEE. IEEE1993, 42–47. 1993.
[16] Bhatt acharjee N, Urrios A, Kang S, Folch A. The upcoming 3D-printing revolution in microfluidics. Lab a Chip; 16, 1720–1742. 2016.
[17] Kumar S. Selective laser sintering: a qualitative and objective approach. JOM (J Occup Med); 55, 43–47. 2003.
[18] Kruth J.-P, Mercelis P, Van Vaerenbergh J, Froyen L, Rombouts M. Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting. Rapid Prototyping J; 11, 26–36. 2005.
[19] Waheed S, Cabot J.M, Macdonald N.P, et al. 3D printed microfluidic devices: enablers and barriers. Lab a Chip; 16, 1993–2013. 2016.
[20] Pilipović A, Raos P, Šercer M. Experimental analysis of properties of materials for rapid prototyping. Int J Adv Manuf Technol; 40, 105–115. 2009.
[21] Provaggi E, Kalaskar D.M. 3D printing families: laser, powder, nozzle based techniques. 3D Print Med; 21–42, 2017.
[22] Murphy S.V, Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nat Biotechnol; 32, 773. 2014.
[23] Park J, Tari M.J, Hahn H.T. Characterization of the laminated object manufacturing (LOM) process. Rapid Prototyp J; 6, 36–50. 2000.
[24] Mueller B, Kochan D. Laminated object manufacturing for rapid tooling and pa ern making in foundry industry. Comput Ind; 39, 47–53. 1999.
[25] Horn T.J, Harrysson O.L. Overview of current additive manufacturing technologies and selected applications. Sci Prog; 95, 255–282. 2012.
[26] Thompson S.M, Bian L, Shamsaei N, Yadollahi A. A n overview of Direct Laser Deposition for additive manufacturing; part I: transport phenomena, modeling and diagnostics. Additive Manufacturing; 8, 36–62. 2015.
[27] Egan, P.F.; Gonella, V.C.; Engensperger, M.; Ferguson, S.J.; Shea, K. Computationally designed lattices with tuned properties for tissue engineering using 3D printing, 12, e0182902. 2017.
[28] Revilla-León, M.; Gonzalez-Martín, Ó.; Pérez López, J.; Sánchez-Rubio, J.L.; Özcan, M. Position accuracy of implant analogs on 3D printed polymer versus conventional dental stone casts measured using a coordinate measuring machine. J. Prosthodont, 27, 560–567. 2018.
[29] Zuniga, J.; Katsavelis, D.; Peck, J.; Stollberg, J.; Petrykowski, M.; Carson, A.; Fernandez, C. Cyborg beast: A low-cost 3d-printed prosthetic hand for children with upper-limb differences. BMC Res, 8, 10. 2015.
[30] Economidou, S.N.; Lamprou, D.A.; Douroumis, D. 3D printing applications for transdermal drug delivery. Int. J. Pharm, 544, 415–424. 2018.
[31] Rubio-Perez, I.; Diaz Lantada, A. Surgical Planning of Sacral Nerve Stimulation Procedure in Presence of Sacral Anomalies by Using Personalized Polymeric Prototypes Obtained with Additive Manufacturing Techniques. Polymers, 12, 581. 2020.
[32] Erickson, M.M.; Richardson, E.S.; Hernandez, N.M.; Bobbert, D.W., II; Gall, K.; Fearis, P. Helmet Modification to PPE with 3D Printing During the COVID-19 Pandemic at Duke University Medical Center: A Novel Technique. J. Arthroplast, 35, S23–S27. 2020.
[33] Hollister, S.J.; Flanagan, C.L.; Zopf, D.A.; Morrison, R.J.; Nasser, H.; Patel, J.J.; Ebramzadeh, E.; Sangiorgio, S.N.; Wheeler, M.B.; Green, G.E. Design control for clinical translation of 3D printed modular scaffolds. Ann. Biomed. Eng, 43, 774–786. 2015.
[34] Mai, H.N.; Lee, K.B.; Lee, D.H. Fit of interim crowns fabricated using photopolymer-jetting 3D printing. J. Prosthet. Dent, 118, 208–215. 2017.
[35] Swennen, G.R.J.; Pottel, L.; Haers, P.E. Custom-made 3D-printed face masks in case of pandemic crisis situations with a lack of commercially available FFP2/3 masks. Int. J. Oral. Maxillofac. Surg, 49, 673–677. 2020.
[36] Roopavath U.K, Kalaskar D.M. Introduction to 3D printing in medicine. 3D Print Med:1– 20 Elsevier, 2017.
[37] Ballard D.H, Trace A.P, Ali S, et al. Clinical applications of 3D printing: primer for radiologists. Acad Radiol; 25:52–65. 2018.
مروری بر فناوری چاپ سهبعدی پلیمری: مواد، فرایند و راهبردهای طراحی برای کاربردهای پزشکی
امیر حسنوند*1
1 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، گروه مهندسی پلیمر
چکیده
چاپ سهبعدی پلیمری فناوری نوظهوری است که تحقیقات بیشتر در این زمینه منجر به بهبود مستمر عملکرد طراحی چاپ سهبعدی پلیمری میشود که برای پیشبرد مرزها در مهندسی و پزشکی ضروری است. چاپ سهبعدی پلیمری امکان چاپ قطعات کاربردی کمهزینه با خواص و قابلیتهای متنوع را فراهم میکند. در اینجا، با بررسی تحقیقات مربوط به مواد، فرایندها و استراتژیهای مرتبط بهکارگیری شده برای کاربردهای پزشکی ارائه شد. تحقیقات در مواد منجر به توسعه پلیمرهایی با ویژگیهای مفید برای مکانیک و زیستسازگاری شده است، با تنظیم خواص مکانیکی که با تغییر پارامترهای فرایند چاپ به دست میآید. فناوریهای چاپ سهبعدی پلیمری شامل اکستروژن، لایهبرداری ورق، فتوپلیمریزاسیون Vat، لایه افزایشی، همجوشی مبتنی بر پودر، پرتاپ مواد، رسوب مستقیم انرژی است. که فنون جوهرافشان حرارتی و لیزری رایجتر هستند. دو فناوری لایهبرداری ورق و رسوب مستقیم انرژی، کاربردهای پزشکی محدودی دارند که رسوب مستقیم مواد طراحی معماریهای سودمند و سفارشی را امکان پذیر میکند. راهکارهای طراحی، مانند توزیع سلسلهمراتبی مواد، تعادل خواص متضاد را ممکن میسازد. کاربردهای پزشکی بیشتر بررسیشده شامل داربستهای بافتی، کاشتینههای دندانی، آموزش پزشکی، سامانههای تحویل دارو و تجهیزات ایمنی میشود. در آخر به مطالعه چالشها و موانع چاپ سهبعدی پلیمری پرداخته شد.
کلید واژهها: چاپ سهبعدی، پلیمرها، فناوری مشبکها، مهندسی، پزشکی
1 مقدمه
چاپ سهبعدی پلیمری در سالهای اخیر بهسرعت پیشرفت کرده است و بسیاری از زمینههای تحقیقاتی اکنون به محصولات مهندسیشده وابستهاند، به ویژه زمینههای پزشکی. چاپ پلیمری برای طیف وسیعی از دامنه پزشکی که از تنوع ویژگیهای مواد پلیمری و رویکردهای پردازش سود میبرند، مورداستفاده است. چاپ سهبعدی، رویکرد ساخت بسیار مطلوبی است؛ زیرا امکان ساخت طرحهایی با هندسهها و معماریهای پیچیده را فراهم میکند که با فرایندهای تولید مرسوم امکانپذیر نیست. بهعنوان مثال، ساختارهای داربست بافتی ساختهشده با چاپ پلیجت و استریولیتوگرافی میتوانند به اشکال سلسلهمراتبی دست یابند که استخوان را شبیهسازی میکند، در نتیجه طاقچهای مکانیکی و زیستی برای حمایت از بازسازی بافت فراهم میکند[1]. علاوه بر این، انتخاب پلیمرها نسبت به روشهای چاپ فلزی دارای مزایایی است که منجر به کاشتهای فلزی میشود که در بدن تخریب نمیشوند و منجر به مسائل مکانیکی مانند محافظ استرس میشوند. در حوزههای تجهیزات ایمنی، شبکههای چاپشده با پلیمر به جذب انرژی کارآمد با فرایند ساخت سریع دست مییابند که محدودیتهای زنجیره تأمین تولید فله را دور میزند. چاپ پلیمری با استفاده از انواع فرایندهای چاپ سهبعدی امکانپذیر است که تطبیقپذیری را برای انتخاب مواد و پشتیبانی از طرحها با معماریها، پاسخها و طرحهای متنوع فراهم میکند[2]. بهدلیل فضای طراحی بزرگ ارائه شده توسط چاپ پلیمری سهبعدی و فرصتهای آن برای بهبود کاربردهای پزشکی، ما با در نظر گرفتن پیشرفتهای اخیر در مواد، فرایندها و استراتژیهای طراحی که همگی بر نتیجه برنامه تأثیر میگذارند، یک بررسی انجام دادیم. در شکل 1 برای مثال داربست بافتی.
شکل1 ملاحظات مواد، فرایند و طراحی برای کاربردهای پزشکی که برای نمونه داربست بافتی نشان داده شده است[3].
شکل 1 طرحوارهی داربست بافت سلسلهمراتبی ساختهشده از سلولهای واحد مبتنی بر پرتو را با ملاحظات به هم پیوسته در مواد، فرایند و طراحی برای اطمینان از عملکرد مکانیکی و زیستی مناسب نشان میدهد [3]. در این مثال، رویکرد طراحی برای تقلید از ساختار سلسلهمراتبی استخوان تا حد زیادی نیاز به فرایند چاپ مناسب و انتخاب مواد برای پشتیبانی از برنامه را برانگیخت. نیاز به سفتی مناسب برای اطمینان از یکپارچگی ساختاری و حفظ زیستسازگاری برای ارتقای رشد بافت انتخاب ماده را محدود میکند. طراحی با پلیمری مبتنی بر اسید متاکریلیک انجام شد. فرایند چاپ مستلزم تشکیل لایههایی برای ساخت ساختار خرپایی سلسلهمراتبی پیچیده است که با چاپ استریولیتوگرافی به دست آمد. با این حال، هنگامی که این عوامل انتخاب شدند، نیاز به تکرار و اصلاح طرح سازه بر اساس تغییرات عملکرد نسبت داده شده به عدم قطعیت و تغییرات بخشی در فرایند چاپ سهبعدی وجود دارد[3،1]. مطالعات مقایسهای برای داربستهای بافتی میتواند به استراتژیهای طراحی بسیار متفاوتی بر اساس تصمیمهای مختلف فرایند مواد/چاپ دست یابد. بهعنوان مثال، داربستهای بافتی ساختهشده از پلیکاپرولاکتون (PCL) با استفاده از مدلسازی رسوب ذوبشده دارای ساختارهای سازگارتر با قابلیت تجزیه زیستی هستند، در حالی که داربستهای تیتانیوم چاپشده با تفجوشی لیزری انتخابی سفتی بالاتری دارند، اما قابلیت تجزیه زیستی ندارند. این انتخابها سپس بر طراحی توپولوژیکی داربست تأثیر میگذارند، زیرا معمولاً چاپ پلیکاپرولاکتون بهعنوان ساختاری مبتنی بر خرپا امکانپذیر نیست، در حالی که فرایندهای تفجوشی لیزری انتخابی قادر به تولید تیتانیوم به شکلهایی برای دستیابی به ساختارهای مبتنی بر خرپا از نظر مکانیکی کارآمد هستند که تخلخل بالایی را برای آن ایجاد میکنند. حجمهای خالی بزرگ برای رشد بافت بهطورکلی، تصمیمگیریها در مورد استراتژیهای مواد، فرایند و طراحی بهصورت غیرخطی و یکپارچه اتفاق میافتد که مستلزم بررسی دقیق و آگاهی از رابطه آنها با برنامهای کاربردی است[4]. بنابراین، چاپ سهبعدی با اصطلاحات دیگر بهعنوان تولید لایهای، ساخت افزودنی، تولید خودکار رایانهای، نمونهسازی سریع، یا فناوری فرم آزاد جامد (SFF) نیز شناخته میشود. در روشهای متعارف یا کسر (قالبسازی، ماشینکاری، شکلدهی، ریختهگری، تزریق، برش لیزری)، شی یا طرح نهایی با کم کردن متوالی مواد از ماده حجیم شکل میگیرد. معمولاً هندسههای غیر استاندارد و شی چند مادهای با این فرایندها به دلیل ناتوانی ابزار مورد استفاده امکانپذیر نیست. در مقابل، چاپ سهبعدی فنی است که در آن اشیا بهصورت افزودنی با قرار دادن مواد خاص در لایهها در لایه مقطعی بهطور همزمان ساخته میشوند. بنابراین، در مقایسه با فرایندهای تولید متعارف یا کسر، فناوریهای چاپ سهبعدی مقرونبهصرفه، خودکار، سریع، آسان برای استفاده، بر حسب تقاضا، انعطافپذیر، سفارشی، و پیچیده هستند و بنابراین توسط کاربر با پیشینههای مختلف استفاده میشود[5].
2 روند چاپ سهبعدی
ابتدا با استفاده از نرمافزارهای طراحی دیجیتال (Autocad، Autodesk، Creo parametric، Onshape، Mimics، 3Matic، Solidworks و Google SketchUp)، اسکنرهای دیجیتال سهبعدی یا اپلیکیشنهای مبتنی بر تلفن، طراحی دیجیتالی سهبعدی مجازی یک شی ایجاد میشود[6]. سپس، این مدل دیجیتال به فرمت فایل دیجیتالی زبان استاندارد tessellation یا استریولیتوگرافی (STL) تبدیل میشود. تقریباً تمام فناوریهای چاپ سهبعدی با این فرمت فایل سازگار هستند. فایل STL شامل فهرستی از وجوه مثلثی است که اطلاعات سطوح مدل سهبعدی را نشان میدهد. افزایش تعداد مثلثها نشاندهنده تعداد بیشتر نقاط داده در فایل متنی است (وضوح بالاتر دستگاه) [6]. رویه تبدیل مدل سهبعدی به فایل دیجیتال STL اساساً در اکثر سامانههای چاپ سهبعدی خودکار است. با این حال، گاهی اوقات احتمال خطا در طول این فرایند وجود دارد. معمولاً از نرمافزارهایی مانند Magic (Materialise) برای رفع خطاهای تبدیل فایلهای STL استفاده میشود. توجه به این نکته ضروری است که بهطورکلی فرمت فایل STL شامل ویژگیهایی مانند نوع و ویژگیهای ماده، رنگ، بافت سطح، واحدها یا هر جزئیات دیگری مربوط به ویژگی نیست. بنابراین، انواع دیگری از فرمت فایل مانند فرمت فایل ساخت افزودنی (AMF) و فرمت ساخت سهبعدی (3MF) برای رفع اشکالات فرمت ساده STL معرفی شدهاند[7]. نرم افزار اسلایسر تخصصی موجود در چاپگر سهبعدی، فایل STL را با برش دادن طرح به مجموعهای از سطح مقطعهای افقی دوبعدی (معمولاً در محدوده 25 تا 100 میکرومتر) به فایل G تبدیل میکند و سپس پایه جسم سهبعدی میشود. با حرکت هد، چاپ در جهت x-y ایجاد میشود. پس از آن، اشیای کامل سهبعدی (3D) با حرکت مکرر هد چاپ در جهت z و قرار دادن مواد مورد نظر در لایهها بهصورت متوالی ایجاد میشوند[6]. با این حال، روش ساخت لایهها در درجه اول به نوع فناوری چاپ سهبعدی مورد استفاده بستگی دارد. مراحل کلی در فرایند ساخت چاپ سهبعدی در شکل 2 توضیح داده شده است.
اسکن سه بعدی |
CAD |
اسکن عکس |
فایل STL |
برش دادن |
چاپ |
چاپ |
چاپ |
شکل2 فرایند چاپ سهبعدی تعمیمیافته[7].
3 قابلیتهای موادی
قابلیتهای مواد پلیمرها برای چاپ سهبعدی از ساختار مولکولی آنها مشخص میشود و همچنین به پردازش ماده در حین چاپ بستگی دارد. انتخاب مواد برای کاربردهای طراحی اغلب با در نظر گرفتن ویژگیهای قابل اندازهگیری، مانند خواص مکانیکی، با محدودههای مبتنی بر روشهای پردازش و آزمایش انجام میشود که پیچیدگیهای بیشتری را در پیشبینی عملکرد قطعه در طول طراحی سامانه ایجاد میکند.
3.1 ساختار مواد
طیف وسیعی از مواد پلیمری برای چاپ سهبعدی وجود دارد، با قابلیتهایی که از ساختار مولکولی آنها اطلاع داده شده است، با پلیمرهایی که به روشهای مختلف برای هر فرایند چاپ پردازش میشوند. در فرایندهای اکستروژن، ترموپلاستیکها معمولاً برای چاپ سهبعدی استفاده میشوند، جایی که برای اکستروژن و سپس سخت شدن پس از رسوب ذوب میشوند. بهعنوان مثال، آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) ترموپلاستیکی معمولی است که در مقایسه با پلیاستایرن خالص استحکام ضربهای مطلوب و مقاومت شیمیایی بهبودیافتهای از خود نشان میدهد. خواص ABS بر اساس نسبت سه مونومر آن قابل تنظیم است، بهعنوان مثال، چگالی آن ممکن است از mg/m3 05/1 تا mg/m3 07/1 با مدول کششی حاصل از GPa 5/2 تا GPa 7/2 متغیر باشد. اکریلونیتریل استایرن آکریلات (ASA) جایگزینی برای ABS با مقاومت حرارتی بهبود یافته و پایداری استثنایی در برابر پرتو فرابنفش است، در حالی که پلیلاکتیک اسید (PLA) یکی دیگر از ترموپلاستیکهای محبوب با زیستسازگاری اما دمای انتقال شیشهای پایینتر است. PLA همچنین برای انواع بیشتر فرایندهای چاپ، مانند پخت رزین با استریولیتوگرافی که ساخت معماریهای پیچیدهتری را نسبت به فرایندهای اکستروژن ممکن میسازد، مناسب است. اگرچه PLA زیستسازگار است، اما نگرانیهایی در مورد سمیت در PLA چاپ شده با استریولیتوگرافی به دلیل افزودن فتوپلیمرها به محلول رزین وجود دارد که برای اتصال مونومرها برای تشکیل پلیمرها در حضور نور فرابنفش ضروری است. با این حال، بسته به ترکیب خاصی از اجزای شیمیایی، هنگامی که به درستی چاپ و پس از پردازش انجام شود، فرایندهای پخت رزین برای کاربردهای پزشکی ایمن هستند این ملاحظات برای پیوند ساختار شیمیایی پلیمر با عملکرد و چاپ آن در جفت کردن فرایندهای چاپ با مواد برای دستیابی به مجموعهای از خواص مطلوب برای کاربردی مشخص ضروری است[8].
3.2 خواص مواد
خواص متنوعی برای کاربردهای پزشکی ضروری است که از طریق چاپ سهبعدی قابل دستیابی است. اغلب، کاربردهای پزشکی نیاز به قابلیتهای مواد خاص، مانند نیاز به مواد جذبکننده انرژی در مقاومت در برابر ضربه، قطعات چند رنگ با بافت مناسب برای مدلسازی آناتومیهای جراحی، یا خواص مواد مشخص شده برای تقلید از بافتهای زیستی را تحریک میکنند. شکل 3 تحقیقات اخیر در مواد پلیمری پزشکی را با تمرکز بر قابلیتهای مکانیکی برای چقرمگی[9] و انعطافپذیری[10]، قابلیتهای زیستی برای زیستسازگاری[11] و قابلیتهای بیشتر مانند هدایت الکتریکی نشان میدهد[12].
زیستسازگاری |
چقرمگی |
انعطافپذیری |
رسانایی |
شکل 3 مواد با خواص برجسته برای (A) چقرمگی [9]، (B) انعطافپذیری [10]، (C) زیستسازگاری [11]، و (D) رسانایی [12].
چقرمگی در هر ماده به توانایی آن در جذب انرژی و تغییر شکل پلاستیک بدون شکستگی اشاره دارد که بهوسیله ترکیبی از استحکام و شکلپذیری ماده محاسبه میشود. اخیراً میله کششی چاپ سهبعدی با ساختارهای متقاطع از ماده پلییورتان سخت با مقایسههایی از جمله Carboth ane AC-4095A به صورت پلت و پلییورتان شیمیایی با سختی A68 در شکل رزین مایع چاپ شد (شکلA3) [9]. نتایج نشان داد که پلییورتانهای الاستومری نسبتاً مقاوم در برابر معماریها و بریدگیها هستند که همچنین استفاده از آنها را در انواع راهبردهای طراحی ترویج میکند. نمونه دیگری از چقرمگی برای مواد زیستپزشکی با پلیمر متاکریلیک چاپشده با استفاده از فرایند پخت رزین با استحکام کششی 41 مگاپاسکال و کشش کلی تا 50 درصد قبل از شکستن نشان داده شد. به دلیل دقت بالای فرایند چاپ، از این ماده برای چاپ کوپلینگ شفت برای مونتاژ بدون هیچ گونه عملیاتی پس از آن استفاده شد. اخیراً مواد انعطافپذیر ساخته شدهاند که بهعنوان پروتز مفید هستند و بهینهسازی شکل مشخصی را برای فیزیولوژی بسیار منحصربهفرد از طریق فناوریهای اسکن و پردازش ممکن میسازند (شکلB3) [10]. بیمار مورد بررسی برای مطالعه 27 ساله بود و از صورت خود اسکن توپوگرافی انجام داد که از نرمافزار نقشهبرداری سهبعدی برای چاپ شکل بینی با استفاده از چاپگر پلیجت Stratasys با مواد انعطافپذیر TangoPlus استفاده میکرد. ماده TangoPlus دارای سختی 26 تا 28 Shore A، استحکام کششی 8/0 تا 5/1 مگاپاسکال و مقاومت پارگی 2 تا 4 کیلوگرم بر سانتیمتر بود، در حالی که حسی شبیه به لاستیک داشت. رنگآمیزی مجدد برای مطابقت با رنگ پوست بیمار ضروری بود. از مواد انعطافپذیر نیز برای چاپ ساختارهای پیچیده استفاده شده است، مانند مدل برج ایفل که با پلیمر انعطافپذیر تحریکشده با دما و با استفاده از استریولیتوگرافی چاپ شده است [10]. این مدل در دمای پایینتر دچار اعوجاج میشود و با افزایش دما به 70 درجه سانتیگراد، چاپ شکل اولیه خود را به دست میآورد. این عملکرد وابسته به دما، امکاناتی را برای کاربردهای پزشکی با تحریک گرما فراهم میکند، که میتواند توسط گرمای بدن یا دستگاهها آغاز شود. زیستسازگاری ویژگی ضروری ماده برای دستگاههای چاپی است که با بدن تعامل دارند، مانند سمعکها و نگهدارندهها، یا در داخل بدن کاشته میشوند، مانند مفاصل مصنوعی یا داربستهای بافتی. بسته به کاربرد، زیستسازگاری میتواند معیارهای متفاوتی داشته باشد، اما بهطور کلی به نیاز این ماده برای آسیب رساندن به بدن و تسهیل عملکرد مورد نظر آن اشاره دارد. برای داربستهای بافتی، زیستسازگاری معمولاً به نیاز به سمیت غیرسلولی، زیستتخریبپذیری و ارتقای رشد بافت اشاره دارد. چاپ پلیجت از مواد Stratasys MED610 استفاده میکند که پلیمری مبتنی بر اکریلیک است که اخیراً برای چاپ داربستهای بافت توپولوژیهای پیچیده (شکلC3) موفقیتآمیز بوده است[11]. آزمایش زیستی با اندازهگیری قابلیت حیات سلولی با استفاده از سلولهای Saos-2 که زنده ماندهاند، بدون هیچ تفاوتی بین مواد چاپ سهبعدی و کنترلها پس از 48 ساعت انجام شد. آزمایشهای بیشتر رشد را بر روی سطوح داربست بافتی نشان داد. با این حال، رشد در مقایسه با سایر مواد مهندسی بافت محدود بود. رویکرد جایگزین، استفاده از استریولیتوگرافی برای شبکههای چاپ سهبعدی با استفاده از اسید پلیلاکتیک است که میتواند ساختارهای شبکهای را با ویژگیهای ریزمقیاس بهطور قابلاعتمادی تشکیل دهد. برای تعیین مزایای پلیمرهای چاپ سهبعدی برای رویکردهای مهندسی بافت مرسوم، آزمایشهای بیشتری لازم است. با این حال، پلیمرها بهدلیل توانایی آنها در تجزیه ایمن در داخل بدن، مزایای فوری نسبت به فلزات دارند. رسانایی الکتریکی یکی دیگر از ویژگیهای ماده است که برای کاربردهای پزشکی مفید است و برای آنالوگهای بافتی ساخته شده و حسشده از طریق چاپ سهبعدی ارگانوژل استفاده شده است. این فناوری برای ایجاد پد آموزشی بخیه ساخته شده با حسگرهای فشار پیزورزیستیو تعبیه شده و نخهای رسانا بهعنوان الکترود برای تعیین کمیت عملکرد کارآموز استفاده شد (شکلD3) [12]. مراحل ساخت شامل تثبیت پارچه نایلونی در کف قالب PLA، سپس ریختن و پخت PDMS مایع همرنگ پوست، قرار دادن نخهای رسانا در ارگانوژل چاپشده با چاپ سهبعدی، کپسوله کردن حسگرها، افزودن لایه چربی و برش نمونه برای تشکیل بخیه بود. پد رسانایی الکتریکی پلیمری بیشتر با ترموپلاستیکهای مخلوط شده با پرکنندههای دوده رسانا برای چاپ سهبعدی شطرنج تازهکار نشان داده شده است که امکان روشن کردن چراغ LED را فراهم میکند [12]. این قابلیتهای چاپ، انواع جدیدی از برنامههای طراحی را فعال میکنند که میتوانند بازخورد را در سناریوهای مختلف پزشکی از طریق تعبیه حسگرها در طرحهای ساخته شده ارائه دهند، که احتمالاً با رسیدن به محرکهای مکانیکی خاص فعال میشوند. ویژگیهای قطعات چاپشده با چاپ سهبعدی به ساختار مواد و فرایند چاپ آنها بستگی دارد و بنابراین نیاز به آزمایش گسترده ترکیبی از پارامترهای مواد/فرایند برای تعیین قابلیتهای مواد برای کاربرد معین دارد. بهعنوان مثال، پاسخ مکانیکی قطعه زمانی که با مدلسازی رسوب ذوبشده ساخته میشود، بر اساس ضخامت لایه چاپی، دمای پردازش و جهتگیری قابل تغییر است. خواص مواد شامل معیارهای مربوط به استحکام و سختی است که خواص کلیدی برای انتخاب مواد مناسب در کاربردهای مکانیکی هستند[10،11،12].
4 انواع فناوریهای چاپ سهبعدی
انواع مختلفی از فناوریهای چاپ سهبعدی از روشهای بهخوبی تثبیتشده، که سالها در محیطهای صنعتی به کار گرفته شدهاند، تا روشهای جدیدتر در دست توسعه در آزمایشگاههای تحقیقاتی که برای کاربردهای خاصتری استفاده میشوند، وجود دارد. کمیته F42 انجمن آمریکایی تست و مواد (ASTM) در زمینه فناوریهای ساخت افزودنی، این فناوریها را با توجه به روشهای اضافه کردن مواد و اصل کار برای تولید شی سهبعدی مورد نظر در هفت دسته اصلی دستهبندی کرده است (جدول1)[13]. هر فناوری با توجه به کاربرد مورد نظر، مزایا و معایب خاص خود را دارد. انتخاب فناوری چاپ سهبعدی برای کاربرد خاص بسیار مهم است و عموماً توسط پارامترهای مواد (نوع، سازگاری و در دسترس بودن)، اندازه ویژگی مورد نظر، وضوح، توان عملیاتی، سرعت و نحوه اتصال لایه به یکدیگر کنترل میشود[13،6]. شی نهایی در زمینه پزشکی، برای رسوب و الگوبرداری از اکستروژن مواد زیستی، فنون جوهرافشان حرارتی و لیزری رایجترین فناوریهای چاپ سهبعدی هستند. با این حال، دو فناوری دیگر، لایهبرداری ورق و رسوب مستقیم انرژی، کاربردهای پزشکی محدودی دارند.
4.1 فتوپلیمریزاسیون Vat
فتوپلیمریزاسیون، یعنی پلیمریشدن ناشی از نور، شکلی از چاپ سه بعدی است که در آن مواد (فتوپلیمرها، رزینهای قابل اصلاح با تشعشع و مایع) جمعآوری شده در خمره بهطور متوالی در لایهها یک لایه با تابش یک منبع نور و در نتیجه یک منبع نور پخت میشوند. لایه طرحدار دوبعدی این شامل فنونی مانند استریولیتوگرافی (SLA)، پردازش نور دیجیتال (DLP) و پردازش مستقیم نور مستقیم (CDLP) است. در این میان، SLA اولین فناوری چاپ سهبعدی بود که در سال 1986 توسط چاک هال اختراع شد. در سال 1994 SLA برای اولین بار در پزشکی بهعنوان ابزار جراحی برای جراحی کاشتینه آلوپلاستیک مورد استفاده قرار گرفت[14]. علاوه بر این، باتوجه به جهت منبع نور و سطحی که پلیمریشدن رزین فوتواکتیو انجام میشود، SLA را میتوان به طور کلی به دو پیکربندی مختلف متمایز کرد: (1) پیکربندی حمام (رویکرد سطح آزاد) و (2) پیکربندی خفاش ( رویکرد سطح محدود)2 (شکلB4وA4). در پیکربندی حمام، پلیمریشدن بالاترین لایه رزین فوتواکتیو با حرکت دادن خط به خط منبع نور تا زمانی که لایه کامل پخت شود، رخ میدهد. پس از پخت لایه اول، بستر یا مرحله به سمت پایین ترجمه میشود تا لایههای بعدی به روشی از پایین به بالا پلیمری شود و در نتیجه ساختار سهبعدی کامل چاپ شود. در این پیکربندی، ضخامت لایه پخت (CD) به عوامل مختلفی از جمله شدت منبع نور، سرعت اسکن، عمق فوکوس و دوره نوردهی بستگی دارد و با معادله زیر قابل توصیف است:
که در آن DP عمق نفوذ نور، EC انرژی بحرانی رزین و E انرژی منبع نور است (شکلC4). پارامترهای رزین مایع قابل پخت با پرتو فرابنفش (ویسکوزیته، ترکیب شیمیایی و تراز رزین)، روش چاپ (جهتگیری و سرعت چاپ) و مدت زمان پس کیورینگ نیز بر عملکرد چاپ تأثیر میگذارد. گزارش شده است که بهینهسازی ضخامت لایه برای افزایش بازده پخت بسیار مهم است. وضوح عمودی به ضخامت لایه پخت بستگی دارد در حالی که وضوح جانبی مستقیماً با قطر پرتو UV (80-200 میکرومتر) متناسب است. بهطور کلی، انتخاب منبع UV با توجه به رزین مورد استفاده متفاوت است، اما منابع رایج مورد استفاده لامپ زنون و لیزر HeCd هستند]15،6[. علاوه بر این، پلیمریشدن دو فوتونی نیز در SLA برای به دست آوردن وضوح بهتر جسم سهبعدی چاپشده نهایی استفاده میشود. محدودیت ارتفاع بهدلیل اندازه خمره، روش تمیز کردن پر زحمت و طولانی، ضایعات رزین و ممانعت از پلیمریشدن عکس به دلیل واکنش شیمیایی با اکسیژن اتمسفر برخی از اشکالات پیکربندی حمام هستند]6[. عملکرد چاپ پیکربندی حمام به عوامل مختلفی مانند پارامترهای منبع نور (قدرت، سرعت و عمق فوکوس)، پارامترهای رزین (ویسکوزیته، تراز رزین، و ترکیب شیمیایی) و روش چاپ (سرعت، جهتگیری) بستگی دارد. و ضخامت لایه، از سوی دیگر، در پیکربندی خفاش، ماسکی به شکل دستگاه آینه دیجیتال با آرایهای از میلیونها آینه استفاده میشود که امکان پخت کامل لایه را در یک مرحله فراهم میکند.
جدول1. انواع فناوریهای چاپ سهبعدی [13].
انواع فناوریهای چاپ سهبعدی | نمونههایی از مواد پرکاربرد | مثالها |
فتوپلیمریزاسیون VAT | فوتوپلیمر، اکریلیک، پلیمرهای مبتنی بر اپوکسی، پلیمرهای تزریقی | SLA, DLP, CDLP, Bioplotters |
فیوژن مبتنی بر پودر | فلزات، پلاستیک، سرامیک، پلیمرهایی از جمله پلی کاپرولاکتون (PCL)، هیدروکسی آپاتیت(HA) | SIS, SLIM, EBM |
لایه افزایشی | گچ، آکریلات HA/PLA، HA/PCL و شیشه زیست فعال6P53 B/PCL | Mcor Technologies, ExOne/ProMetal Voxeljet, Zcorp, |
پرتاپ یا فواره کردن مواد | پلیمرهای مبتنی بر اکریلیک، سرامیک | آبجکت، مولتی جت فیوژن، پلی جت، سامانههای سهبعدی |
اکستروژن مواد | پلاستیکهای ABS، PLA، کامپوزیتها، فلزات | FDM, MJS |
لمینیت ورق | پی وی سی، کاغذ، HA، Zirconia | LOM |
رسوب مستقیم انرژی | تقریباً هر آلیاژ فلزی، HA/PLA، HA/PCL | LENS, DMD |
تختگاه |
اسکنر |
لنز |
رزین پخته شده |
سطح رزین |
رزین پخته شده |
رزین پلیمری قابل درمان با اشعه UV |
فرونشاندن UV |
حذف پشتیبانی |
پس از پخت |
داربست نهایی |
برش دادن |
پشتیبانی از طراحی |
فایل استریولیتوگرافی |
مدل CAD |
لیزر UV |
طرح |
دستگاه آینه دیجیتال |
دریچه شفاف |
مخزن رزین |
لیزر |
لیزر |
تختگاه |
مخزن رزین |
شکل4. (A) و (B) پیکربندی استریولیتوگرافی (SLA): (A) پیکربندی حمام (رویکرد سطح آزاد) و (B) پیکربندی خفاش (رویکرد سطح محدود (C) پارامترهای رزین قابل اصلاح با پرتو فرابنفش و (D) روش گامبهگام برای ساخت شی سهبعدی با استفاده از استریولیتوگرافی. (D) ساخت داربست مهندسی بافت استخوانی پلی(پروپیلن فومارات) با استفاده از استریولیتوگرافی: اثرات فرمولبندی رزین و پارامترهای لیزرInd Eng Chem Res. 2017; 56:10516–10525 Copyright © 2017 American chemical society)).
4.2 فیوژن مبتنی بر پودر
فناوریهای چاپ سهبعدی مبتنی بر پودر شامل یک منبع حرارتی برای ذوب یا ذوب انتخابی مواد پودری (موم، فلز، نایلون، پلیمر، پلاستیک، سرامیک، کامپوزیت) هستند که در یک سینی در لایههای نازک بهطور متوالی نگهداری میشوند تا ساختار سهبعدی نهایی را ارائه دهند. اینها شامل فنونی مانند ذوب پرتو الکترونی (EBM)، ذوب لیزری انتخابی (SLM)، تف جوشی لیزری انتخابی (SLS)، تف جوشی لیزری پلیمری (PSL) و تف جوشی لیزری مستقیم فلزات (DMLS) بسته به نوع منبع انرژی و مواد EBM پودری]17 [از پرتوهای الکترونی پرانرژی که توسط سیمپیچهای الکترومغناطیسی هدایت میشود استفاده میکند در حالی که دیگران از پرتوهای لیزری با توان بالا که توسط آینهها هدایت میشوند بهعنوان منبع انرژی استفاده میکنند. در اینها، SLS اولین فناوری مبتنی بر پودر توسط Carl Deckard و Joseph Beeman در سال 1989 در دانشگاه تگزاس بود. در فرایند SLS، پرتو لیزر پرقدرتی (Nd:YAG یا CO2) با کمک غلتک بر روی بستر پودری با مواد توزیع شده یکنواخت متمرکز میشود تا سطح را اسکن کند و ماده را در دمایی فراتر از دمای انتقال شیشهای و کمتر از نقطه ذوب آن گرم کند. سپس مواد پودری در الگوی دوبعدی خاصی با هم ذوب میشوند که لایههای بعدی مواد را میتوان روی آن قرار داد، توزیع کرد و بهطور متوالی برای ساختن شی سهبعدی نهایی (شکل A5) زینتر کرد]17[. مزیت SLS نسبت به سایر فنون چاپ این است که در طول فرایند ساخت، مواد پودری بدون اتصال به عنوان تکیهگاه موقت عمل میکند که پس از تکمیل فرایند برداشته میشود. وضوح فنون مبتنی بر پودر به نوع و اندازه مواد پودری مورد استفاده، سرعت اسکن، قطر و انرژی پرتو لیزر و انتقال حرارت به بستر پودر بستگی دارد. سازوکارهای همجوشی فناوری مبتنی بر پودر را میتوان به چهار دسته اصلی تقسیم کرد:
مرحله ساخت |
مرحله ساخت |
مرحله تحویل پودر |
مرحله تحویل پودر |
قسمت متخلخل |
اسکنر |
تامین مواد اتصال مایع |
لیزر |
اسکنر با اپتیک |
مواد صحافی شده |
بستر پودری |
نازل جوهر افشان |
غلتک |
بستر پودری |
غلتک |
شکل5 (الف) طرحوارهای از تفجوشی لیزری انتخابی (SLS) چاپگر سهبعدی. (ب) چاپ سهبعدی جوهرافشان مبتنی بر پودر (بایندر جت). ارزیابی چاپ سهبعدی و تأثیر بالقوه آن بر زیستفناوری و علوم شیمی. انتشارات ACS 2014 حق چاپ © 2014 جامعه شیمیایی آمریکا(ACS Publications 2014 Copyright © 2014 American chemical society).
1. تفجوشی حالت جامد: شامل فرایندی حرارتی است که در آن ادغام مواد پودری در حالت جامد آنها بدون ذوب اتفاق میافتد. بهطورکلی، همجوشی مواد بین دمای Tm/2 و Tm (Tm = نقطه ذوب ماده پودری) با تشکیل گردن بین ذرات مجاور به دلیل انتشار مولکولی در امتداد بیرونیترین سطح آنها صورت میگیرد. نیروی محرکه این سازوکار کاهش انرژی آزاد سطح کلی ذرات است. انرژی سطحی (ES) بهطور مستقیم با مساحت سطح (SA) به دنبال رابطه (ES = γSSA) که γS = انرژی آزاد سطح در واحد سطح متناسب است. بنابراین، با اتصال ذرات پودر شده به یکدیگر، سطح کلی کاهش مییابد و در نتیجه انرژی سطح کاهش مییابد.
2. اتصال القایی شیمیایی: در این فرایند، واکنش شیمیایی فعالشده حرارتی یا بین دو ماده با انرژی مختلف یا بین گازهای اتمسفر و مواد پودری رخ میدهد تا عنصر اتصالدهندهای که مواد پودر را متخلخل میکند، تشکیل دهد]18،7[. عمدتاً مواد سرامیکی از این سازوکار همجوشی پیروی میکنند. بهعنوان مثال، هنگامی که ذرات SiC تا دمای بالا گرم میشوند. SiC به Si و C آزاد متلاشی میشود. این ذرات Si با اکسیژن اتمسفر واکنش میدهند و SiO2 را تشکیل میدهند که بهعنوان عناصر اتصالدهنده عمل میکند و کامپوزیت SiC و SiO2 را فراهم میکند.
3. تفجوشی فاز مایع (LPS): این سازوکار پرکاربردترین سازوکار در فناوریهای سهبعدی مبتنی بر پودر است. در LPS، در طول فرایند همجوشی، بخشی از مواد (مواد ساختاری) در تمام طول فرایند جامد باقی میماند در حالی که قسمتهای دیگر مواد (مواد چسبنده) به مایع تبدیل میشوند و بهعنوان چسب برای ذوب مواد جامد به یکدیگر عمل میکنند. سازوکار LPS را می توان به روشهای مختلفی برای ساخت شی سهبعدی مورد استفاده قرار داد: (1) ساختار متمایز و مادهای چسبنده که میتواند به سه روش مختلف با هم ذوب شود: دانههای پوشش داده شده، دانههای کامپوزیت، و دانههای جدا شده. (2) مواد ساختاری و چسبنده نامشخص بهعنوان ذوب جزئی نیز شناخته میشوند. شرح مفصلتر این سازوکارهای LPS را میتوان در مقاله مروری توسط Crouch و همکاران یافت]18[.
4. ذوب کامل: این سازوکار بیشتر برای فلزات، آلیاژهای فلزی و مواد سرامیکی به کار میرود تا پلیمرها. در این سازوکار، اجسام تقریباً کاملاً متراکم که دارای خواص مکانیکی بهبود یافته مانند همتای حجیم هستند، در یک مرحله به دست میآیند و در نتیجه از مراحل طولانی پس پردازش (نفوذ یا عملیات حرارتی) اجتناب میشود. فنونی مانند SLM و EBM از این سازوکار پیروی میکنند تا مواد پودری را بهترتیب با استفاده از پرتو لیزر و پرتو الکترونی بهطور کامل ذوب کنند. علاوه بر این، این سازوکار مستلزم آن است که مواد پودری باید خواص مشابهی را در مورد رفتار جریان در فاز مایع و جذب لیزر نشان دهند. بنابراین، محدوده مواد موجود برای این سازوکار نسبت به پخت محدود است]14 [.
4.3 لایه افزایشی(Binder Jetting)
فناوری Binder Jetting که معمولاً بهعنوان چاپ سهبعدی مستقیم (3DP) شناخته میشود، در اوایل دهه 1990 در MIT با استفاده از فناوری چاپ جوهرافشان اختراع شد. در این سامانه، چاپگر نهتنها در صفحه x-y مانند چاپگرهای جوهرافشان معمولی چاپ میکند، بلکه در جهت z با استفاده از پلتفرم با ارتفاع قابلتنظیم چاپ میکند، بنابراین به اشیا اجازه میدهد در همه ابعاد چاپ شوند. معمولاً مشابه فناوریهای همجوشی مبتنی بر پودر، ابتدا لایهای از مواد پودری بر روی بستر پودری رسوب میکند و سپس با غلتک تراز میشود]19[. متعاقباً، هد چاپ چندکاناله قطرات محلول Binder را از نازل بر روی سطح بستر پودر در نواحی مشخصی که توسط پارامترهای چاپ و طراحی CAD تعیین میشود، پخش میکند و ذرات پودر را به هم متصل میکند. پس از اتمام لایه اول، بستر پودر از طریق پیستون پایین میآید که اجازه میدهد لایه بعدی مواد پودری روی لایه اول که دوباره با ماده اتصال متصل میشود، رسوب کند]19،6[. این مراحل چاپ در سطح قطره تا زمانی که مدل سهبعدی کامل به دست آید تکرار میشود (شکل B6). وضوح چاپگر به شکل ذرات، اندازه و چگالی بستهبندی بستگی دارد. در طول فرایند، مواد بیپیوند بهعنوان ماده پشتیبان عمل میکنند و بهطور مداوم حذف و بازیافت میشوند، بنابراین هزینه اشیای چاپی کاهش مییابد. از نازلها علاوه بر این، این فناوری مزیت استفاده از مواد پودری متعدد از جمله پلیمرها، فلزات، سرامیک، شیشه و آلیاژهای حافظهدار را فراهم میکند و بنابراین میتواند اجسامی با خواص و هندسه منحصربهفرد بسازد. در درجه اول، 3DP در دو حالت مختلف عملکرد برای ایجاد قطرات کار میکند: (1) حالت جوهرافشان پیوسته (CIJ) و (2) حالت drop on demand (DoD) در حالت CIJ، همانطور که از نام آن پیداست، سیال اتصال (معمولاً سیال با گرانروی پایینتر) بهطور مداوم از نازل عبور داده میشود و بهدلیل ناپایداری فلات ریلی به جریانی از قطرات تبدیل میشود، بنابراین افت سرعت بالاتری برای چاپ سریعتر اجسام ایجاد میکند. از سوی دیگر، در حالت DoD، قطره مایع اتصال بهصورت پیزوالکتریک یا حرارتی هر زمان که لازم باشد تولید میشود. در DoD پیزوالکتریک، یک ولتاژ به یک ماده پیزوالکتریک که به طور مستقیم یا غیرمستقیم به ماده اتصال متصل است اعمال میشود. این باعث ایجاد پالسهای صوتی بهدلیل تغییر شکل مواد پیزوالکتریک میشود که باعث میشود قطرات مواد اتصالدهنده از نازل خارج شوند. در مقابل، در DoD حرارتی، مقاومت لایه نازک بهعنوان عنصر گرمایش استفاده میشود]19[. هنگامی که پالس ولتاژ به المنت حرارتی اعمال میشود، محلول اتصال در تماس با آن گرم میشود و حباب بخار ایجاد میکند که سپس در مخزن سیال منبسط میشود تا قطرات مایع را از نازلها خارج کند. هر دوی این هدهای چاپ بسته به ویژگیهای مورد نظر شی نهایی، مزایا و محدودیتهای خود را دارند. در DoD حرارتی، حلال اتصال باید در طبیعت فرار باشد]19[. علاوه بر این، DoD پیزوالکتریک توانایی بهتری برای کنترل جهت قطرات، اندازه قطرات و یکنواختی فراهم میکند. در حالی که DoD حرارتی از نظر سرعت چاپ بالاتر و هزینه کمتر اشیاء چاپی مزایایی را ارائه میدهد. ذکر این نکته ضروری است که چهار عنصر مهم پیادهسازی سامانه برای عملکرد بهتر چاپ جوهرافشان 3DP وجود دارد. Chen و همکاران این عناصر و ملاحظات فنی آنها را به تفصیل مورد بحث قرار دادهاند.
4.4 پرتاپ یا فواره کردن مواد (Material Jetting)
جت مواد که با نام مدلسازی چندجت (MJM) نیز شناخته میشود، روش چاپ جوهرافشانی مبتنی بر فوتوپلیمر است که در آن شی سهبعدی کامل بهصورت لایهبهلایه با توزیع قطرات مواد فوتوپلیمر مایع از طریق مجموعهای از هدهای چاپ جوهرافشان ساخته میشود. نازلها (شکلA6). این روش شبیه فتوپلیمریزاسیون vat است زیرا هر دو از یک اصل شیمیایی استفاده میکنند. با این حال، برخلاف فناوری چاپ عکس پلیمریزاسیون vat که قبلاً توضیح داده شد، در این روش مواد مایع در خمره نگهداری نمیشوند. این چاپگرها، مشابه فناوری چاپ جوهر افشان، قطرات پلیمر مایع را بر روی زیرلایه ساختمانی پخش میکنند؛ سپس با نور UV پخته میشود. پس از آن، مشابه سایر فنون چاپ، بستر ساخت به تدریج پایین میآید تا لایههای زیر چاپ شود. موم یا مواد ژلهمانند دیگر نیز همراه با فوتوپلیمر مایع پخش میشود و در حین چاپ بهعنوان تکیهگاه عمل میکند]14[. این مواد پشتیبانی به طور کلی پس از پردازش حذف میشود. همچنین ساخت شی سهبعدی با فضاهای خالی را امکانپذیر میکند. رویکرد نازلهای چندگانه در MJM این قابلیت را فراهم میکند که چندین ماده (تا 14) را بهطور همزمان به زیرلایه ساخت تحویل دهد، بنابراین شیای با خواص متعدد (رنگ، مورفولوژی، الاستومری، پلاستیک سخت و نرم) ساخته میشود]20[. فناوری چاپ سهبعدی را میتوان برای چاپ سلولهای زنده و مواد زیستی نیز مورد استفاده قرار داد. بهطور خاص، MJM برای ساخت مدلهای آناتومیک برای جراحیهای داخل جمجمه، قلب و ارتوپدی استفاده شده است]16[.
4.5 اکستروژن مواد
در فنون سهبعدی مبتنی بر اکستروژن مواد، مواد جمعآوری شده در مخزن از طریق نازل گرم یا با استفاده از سامانه مکانیکی یا پنوماتیکی توزیع میشود. در سالهای اخیر، فناوریهای مبتنی بر اکستروژن مورد توجه قرار گرفتهاند، زیرا این فنون چاپ مقرونبهصرفه و از نظر مکانیکی ساده هستند]21[. فنون مبتنی بر اکستروژن را میتوان بهطور کلی به دو دسته طبقهبندی کرد: (1) فنون مبتنی بر ذوب مواد و (2) فنون بدون ذوب مواد. فنونی مانند انجماد جت چندفازی (MJS)، رسوب اکستروژن دقیق (PED)، ساخت اکستروژن دقیق (PEM)، و مدلسازی رسوب ذوبشده (FDM) نمونههایی از فنون مبتنی بر ذوب مواد هستند. در حالی که، شکلدهی آزاد اکستروژن مبتنی بر حلال، مونتاژ نوشتن مستقیم روبوکست، نقشهبرداری زیستی سهبعدی، ساخت رسوب در دمای پایین (LDM) و میکروسرنگ با کمک فشار(PAM) نمونههایی از فنون مبتنی بر ذوب بدون مواد هستند. در فنون مبتنی بر نشست مواد، بهطورکلی از چهار نوع نازل استفاده میشود: پیزوالکتریک فعال، شیر برقی، نازل تزریق حجمی، و فشار فعال. از سوی دیگر، در فنون مبتنی بر ذوب مواد، تنها از دو نوع نازل استفاده میشود: اکسترودر مینیپیچ و چرخهای محرک فیلامنت. در میان تمام این فنون چاپ مبتنی بر اکستروژن، FDM رایجترین و رایجترین فنی است که در آن ماده ترموپلاستیک یا کامپوزیت از طریق نازل گرم شده و بهشکل دیجیتالی قابلکنترل اکسترود میشود که میتواند در هر سه بعد ترجمه شود. دمای مواد ترموپلاستیک دقیقاً بیشتر از نقطه ذوب آن با استفاده از واحد کنترل دمای موجود در نازل حفظ میشود تا بتواند بهراحتی از طریق نازل اکسترود شود. همانطور که ماده از طریق نازل جریان مییابد، بلافاصله با خنک شدن خودبهخود در تماس با هوا جامد میشود و در نتیجه مواد را بهصورت لایهبهلایه رسوب میدهد. پس از تشکیل لایه اول، مرحله پایین میآید تا لایههای زیر رسوب کنند تا شی سهبعدی کامل به دست آید (شکلB6)]16،19،6[. دقت ابعاد عمودی و ضخامت لایه به قالب اکسترودر بستگی دارد. مزایای قطر چاپگرهای سهبعدی FDM این است که میتوانند چندین ماده را بهطور همزمان چاپ کنند و همچنین توانایی پردازش طیف گستردهای از پلیمرهای ترموپلاستیک یا زیستسازگار مانند پلیکربنات (PC)، پلیآمید، پلیاستایرن (PS)، پلیاتیلنترفتالات (PET)، پلیلاکتیکاسید را فراهم میکنند. (PLA)، آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)، پلیگلیکولیکاسید (PGA)، پلیبوتیلنترفتالات (PBT) و پلیکاپرولاکتون (PCL) ]16،19[ علاوه بر این، میتواند مواد کامپوزیتی از جمله فلزات، سرامیکها، نانوکامپوزیتها، کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده و پلیمرهای تقویت شده با شیشه را پردازش کند. با این حال، در FDM، همانطور که مواد اکسترود شده بلافاصله جامد میشوند، لایههای مجاور به خوبی ذوب میشوند و در نتیجه اشیای سهبعدی با یکپارچگی و نقص ساختاری پایین ارائه میشوند. اخیراً، یا با تابش اشیای چاپی با تابش گاما که اتصال عرضی بین لایههای مجاور را افزایش میدهد، یا با استفاده از واکنش دیلز-آلدر برگشتپذیر حرارتی که پیوند کووالانسی بین لایهها را پس از سرد شدن تشکیل میدهد، بر این محدودیت غلبه کرده است]15[. چاپگرهای مبتنی بر اکستروژن در طیف گستردهای از زمینهها برای چاپ محلولهای مبتنی بر ماتریکس خارج سلولی، الکترودهای درون بافتهای بیولوژیکی، فشارسنج بر روی بسترهای انعطافپذیر، داربستهای سهبعدی جامد، اتصالات، آنتنها، مدلهای بافت (رگهای شاخهدار تومور، دریچههای آئورت، مدلها)، الایدیها، سوسپانسیون سلولی چاپ زیستی، فارماکوکینتیک آزمایشگاهی، باتریها، محلولهای فلزی، انواع سلولها (فیبروبلاستهای پوستی، سلولهای استرومایی قرنیه)، تراشه میکروسیال، دریچه مویرگی در هیدروژلهای مملو از سلول دیسک میکروسیال گریز از مرکز، و غیره. بهطورخاص، برای کاربردهای چاپ زیستی سهبعدی که در آن مواد زیستی از نازلها اکسترود میشوند، از سامانه توزیع مکانیکی (پیچ یا پیستون) یا پنوماتیک استفاده میشود. سامانه توزیع مکانیکی مبتنی بر پیچ کنترل فضایی بهتری بر جریان مواد ارائه میکند و میتواند مواد را به طور یکنواخت با گرانروی بالاتر توزیع کند، در حالی که سامانه توزیع پنوماتیک اجزای سازوکار محرک سادهتری را ارائه میکند]22[.
سرهای جوهر افشان |
تختگاه |
سیستم فتوپلیمر جت شده |
واحد کنترل دما |
نازل |
مواد |
هدف و پشتیبانی |
تیغه |
سیم پیچ رشته پلاستیکی |
غلتک |
لامپ پخت |
شکل 6 (الف) طرحواره چاپگر سهبعدی جت پلیمری. (ب) طرحواره چاپگر FDM. (الف) چاپ سهبعدی با مواد پلیمری تقویت میشود و فرصتهایی پیدا میکند(Ind Eng Chem Res. 2017; 56:10516–10525. Copyright © 2017 American chemical society).
عملکرد چاپگر سهبعدی FDM توسط عوامل مختلفی تعیین میشود: (1) قطر نازل، (2) زاویه شطرنجی، (3) عرض شطرنجی، (4) فاصله هوا، (5) ارتفاع برش، و (6) دمای ساختمان]19[. در سال 2000 نمودار سهبعدی برای ساخت داربستهای بافت نرم معرفی شد که در آن مایع چسبناک از طریق نازل تحت فشار به محیط مایع با چگالی مشابه اکسترود میشود. این مواد را میتوان به شکل نقاط منفرد یا رشته پیوسته از نازل برای ساخت مدل سهبعدی قرار داد. این روش بهویژه برای چاپ مواد زیستی طبیعی مناسب است. در چاپگرهای مبتنی بر اکستروژن، سلولهای چاپ زیستی (بیواینک) بهصورت متوالی برای ساخت ساختار هیدروژل معروف به کاغذ زیستی ترکیب میشوند.
4.6 لمینیت ورق
این دسته شامل روش چاپ سهبعدی مانند ساخت اشیای چندلایه (LOM) است که توسط Helisys در سال 1998 به ثبت رسیده است. در LOM ورقی از ماده (فلز، پلاستیک و کاغذ) بهصورت لایهلایه، لایهگذاری میشود تا شیای سهبعدی ساخته شود. ابتدا یک لایه از مواد ورق که سطح پایینی آن با مواد چسب پوشانده شده است روی صحنه قرار میگیرد. در مرحله بعد، از تیغ یا پرتو لیزر (لیزر دیاکسیدکربن) برای ردیابی ورق و برش در سطح مقطع مورد نظر بر اساس مدل طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) استفاده میشود]23،6[. مواد اضافی که در قسمت نهایی گنجانده نشده است توسط لیزر متقاطع میشود. این ماده اضافی همچنین بهعنوان پشتیبان برای رسوب لایههای زیر عمل میکند]23[. پس از آن، مرحله پایین میآید تا یک لایه دیگر از مواد ورق بر روی لایه قبلی قرار گیرد و این مراحل تا زمانی که شی سهبعدی کامل ساخته شود تکرار میشود. در نهایت، در پایان فرایند، مواد متقاطع شده به صورت دستی حذف میشوند. LOM در مقایسه با سایر فنون چاپ سهبعدی مزایای مختلفی را ارائه میدهد]24[. (1) قطعات ساخته شده LOM کشش داخلی پایینی را ایجاد میکنند و در نتیجه از تغییر شکل و اعوجاج جلوگیری میکنند. (2) قطعات ساخته شده با LOM هزینه و شکنندگی کمتر و دوام بالاتری دارند. (3) طیف گستردهای از مواد با خواص مکانیکی و شیمیایی مختلف و هزینه کمتر برای پردازش LOM در دسترس هستند (مواد موجود در حال حاضر کاغذ و پلاستیک هستند). (4) فرایند LOM به ساختار پشتیبانی و مراحل پسپردازش نیاز ندارد. معایب آن این است که دقت جهت Z قطعه ساخته شده با LOM به دلیل اثر تورم نسبتاً کمتر است و ساخت سازههای پیچیده دشوار است]24[.
تختگاه |
دستگاه تعیین موقعیت |
طرح کلی لایه |
رول تامین مواد ورق |
قسمت لایهای |
رول برداشت |
مواد ورق |
لیزر |
اپتیک |
شکل 7 طرحواره چاپگر LOM. ارزیابی چاپ سهبعدی و تأثیر بالقوه آن بر زیستفناوری و علوم شیمی. انتشارات ACS. 2014 حق چاپ © 2014 جامعه شیمیایی آمریکا.
4.7 رسوب مستقیم انرژی
فناوریهای رسوبدهی انرژی جهتیافته (DED) امکان ساخت شی سهبعدی را با استفاده از منبع انرژی متمرکز (قوس پلاسما، پرتو لیزر و پرتو الکترونی) برای ذوب کردن مواد رسوبشده توسط نازلی به شکل سیم یا پودر فراهم میکند. این فنون ویژگیهای همجوشی بستر قدرت و فنون اکستروژن مواد را در بر میگیرند. با این حال، برخلاف فنون همجوشی بستر پودری که مواد از پیش رسوبشده روی بستر را ذوب میکنند، این فنون مواد را در حین تهنشین شدن ذوب میکنند]25[. بهطورکلی، چاپگر DED شامل سر نازل است که میتواند در اطراف جسم ثابت در جهات مختلف حرکت کند تا مواد را بر روی سطوح مورد نظر قرار دهد که دارای هندسه مطابق با مدل CAD است و پرتو لیزر پر انرژی برای هدایت انرژی به سطح مورد نظر است. مواد را ذوب کنید، بلافاصله روی پلت فرم سخت میشود. هنگامی که لایه اول رسوب کرد، منبع انرژی و نازل به سمت بالا حرکت میکنند تا لایه بعدی رسوب کند و این روند تا زمانی که شی سهبعدی کامل ساخته شود تکرار میشود]26[. این دسته شامل فنون مختلفی مانند ساخت نور هدایت شده (DLF)، ساخت مستقیم پرتو الکترونی (EBDM)، رسوب مستقیم فلز (DMD)، رسوبدهی مستقیم لیزری (DLD)، و شکلدهی شبکه مهندسی شده لیزری (LENS) است. این فنون در روش کنترل حرکت، سامانه تحویل پودر، منبع انرژی (نوع، قدرت و اندازه نقطه)، و غیره متفاوت هستند. با این حال، مراحل پردازش، یعنی رسوب، ذوب و سخت شدن مواد، یکسان باقی میمانند. در تمام این فرایندها فنون DED از نظر روشی منحصربهفرد هستند، زیرا میتوان از آنها برای تعمیر مؤثر یا افزودن به قسمت قبلی استفاده کرد. این فنون بیشتر برای رسوب فلزات استفاده میشوند و کاربردهای محدودی در زمینه پزشکی دارند]26[.
5. کاربردهای پزشکی
ج |
و |
ه |
د |
ب |
الف |
تحویل دارو |
برنامههای جراحی |
پروتز پوشیدنی |
ایمپلنتهای دندانی |
داربستهای بافتی |
تجهیزات ایمنی |
شکل 8 کاربردهای چاپ سهبعدی پزشکی برای (الف) داربستهای بافتی[27]، (ب) مدل دندانی[28]، (ج) دست مصنوعی[29]، (د) تجهیزات حفاظت شخصی[32]، (و) برنامههای جراحی[31] و (ه) میکروسوزنهای دارورسان [30].
5.1 داربستهای بافتی
چاپ سهبعدی پلیمری اخیراً در کاربردهای مهندسی بافت مورد توجه قرار گرفته است، جایی که مواد، فرایندها و راهبردهای طراحی همگی در ساخت سازههای داربست نقش دارند. داربستهای پلیمری در مهندسی بافت برای سنتز اندامها مورد استفاده قرار میگیرند و هدف اصلی آنها بازیابی عملکرد یا بازسازی بافتها است. بافتهای هدف شامل استخوان، غضروف، رباط، پوست، عروق، نورونها و ماهیچههای اسکلتی است. چاپ سهبعدی برای ارائه شخصیسازی به بیماران و تولید ساختارهایی که برای کاربردهای بالینی از طریق طرحهای مدولار کارآمد تنظیم شدهاند مفید است[33]. بهینهسازی داربست و تنظیم طراحی چالشبرانگیز است، و در مورد مهندسی بافت استخوان، همچنین به تنظیم ویژگیهای زیستی و مکانیکی نیاز دارد. همچنین نیاز به در نظر گرفتن ویژگیهای داربست در مقیاسها، مانند شبکههای سلسلهمراتبی منافذ برای رشد بافت و حملونقل مواد مغذی، با بهینهسازی توپولوژی بهعنوان رویکرد پیکربندی رایج وجود دارد. شکلA8 داربست چاپ سهبعدی ایجاد شده با چاپ پلیجت را نشان میدهد که از بررسی طرحهای توپولوژی متعدد، اندازه قطر پرتو، اندازه سلول واحد و تقویتکنندههای موضعی برای کاربردهای همجوشی ستون فقرات پیکربندی شده است[27]. این مطالعه از رویکرد محاسباتی برای مقایسه مبادلات نسبی بین طرحها برای یافتن پیکربندیهای داربست مناسب برای رشد استخوان استفاده کرد. کارهای بیشتر با استفاده از شبیهسازیهای رشد بافت و در نظر گرفتن ساختارهای سلول واحد نامتقارن تولید شده با طراحی محاسباتی، مبادلات را بررسی کردهاند. طراحی محاسباتی و رویکردهای خودکار عموماً برای کاربردهای چاپ سهبعدی در پزشکی مفید هستند، زیرا طرحها اغلب از پیکربندیهای منحصربهفرد برای بیماران خاص بهره میبرند[27].
5.2 کاشتینههای دندانی
حدود 276 میلیون نفر در سراسر جهان بهدلیل از دست دادن دندان رنج میکشند و میتوانند از راه حلهای جدید برای کاشت دندان بهرهمند شوند. ظهور پلیمرهای چاپ سهبعدی کاشتینههای دندانی کارکرد اقتصادی و دقیقی را فراهم کرده است. در این درمانها، پلیمرهای چاپ سهبعدی مانند پلیلاکتیکاسید ساخته و در حفره دهان کاشته میشوند؛ زیرا در برابر ضربه مقاوم و غیرسمی هستند. پلیمرهای چاپ سهبعدی همچنین زبری سطح کمی دارند که مفید است؛ زیرا زبری سطح باعث تشکیل فیلم زیستی میشود که باکتریهای مضر را به کاشتینه جذب میکند. شکلB8 قالب گیری دندانی پلیمری را با استفاده از چاپ پلیجت از مطالعهای نشان میدهد که قالبهای دندانی چاپ سهبعدی را با قالبهای ساخته شده از سنگ دندان مقایسه میکند. موارد چاپ سهبعدی با فرایندها و مواد چاپی متعدد مورد بررسی قرار گرفتند[28]. نتایج نشان داد که فرایندهای چاپ پلی جت و استریولیتوگرافی دقتهایی مشابه کاشتینههای سنگ دندان معمولی ارائه میکنند، با تفاوت میانگینها در اندازهگیریها روی محورهای x، y و z معمولاً کمتر از 15 میکرومتر برای بهترین چاپها. پلیمرهای چاپ سهبعدی بهعنوان روکش و بریج برای ترمیم موقت و ثابت دندان اجرا میشوند. تاجها و بریجهای ساخته شده مقدار کمی از ناهماهنگیهای داخلی را ایجاد میکنند و در عین حال برازشهای اکلوزال دقیقی را نیز فراهم میکنند[34]. پیش از این، سازههای فلزی بهعنوان اجزا و چارچوبهای پروتز متحرک استفاده میشد، اما اخیراً، پلیمرهای PEEK بهدلیل مقاومت مکانیکی بالا با زیستسازگاری خوب، جایگزین فلزات شدهاند. به تازگی، محققان و متخصصان پزشکی دندان زیستپلیمری چاپ سهبعدی مخصوص بیمار را توسعه داده و با موفقیت کاشت کردهاند. این دندان برای بیمار سفارشی شد و مزایای بیشتری از جمله کیفیت بالا و هزینه کم را ارائه داد.
5.3 پروتزهای پوشیدنی
چاپ سهبعدی طیف گستردهای از رویکردها را برای پروتزهای جدید ارائه میدهد که از طیف وسیعی از مواد در دسترس و سفارشیسازی برای نیازهای فرد سود میبرند. در شکلC8، دست مصنوعی چاپشده سهبعدی نشان داده شده است که ترکیبی از مواد PLA و ABS برای کودکان مبتلا به مشکلات اندام فوقانی است[29]. دست پوشیدنی کمهزینه است و دامنه حرکتی وسیعی را برای کاربران فراهم میکند. پروتزهای کششی با محرکهای تعبیهشده، سیگنالهای پردازش سیگنال و حسگرها نیز برای افراد طراحی شدهاند. بهعنوان مثال، یک دستگاه درمانی پوشیدنی هوشمند با حسگر دمای تعبیه شده و بخاری قابل برنامهریزی برای خودفعال شدن با توجه به دمای بدن بیمار ساخته شد. اخیراً دستگاه پوشیدنی مبتنی بر الاستومری چاپ سهبعدی یکپارچه با حسگر فشار ساخته شده است. این دستگاه حرکت بدن انسان، فشار خارجی و جهت نیروهای خارجی را شناسایی و نظارت میکند که نشاندهنده قابلیت آن بهعنوان پوست الکترونیکی است. هر ساله صدها هزار نفر در سراسر جهان از آسیب نخاعی رنج می برند که میتوانند از پروتز بهرهمند شوند. آسیب نخاعی میتواند بر عملکرد دست و حرکت تأثیر بگذارد. ارتز دست پوشیدنی مبتنی بر پلیلاکتیکاسید (PLA) با چاپ سهبعدی برای کمک به بیماران طراحی و ساخته شده است. این دستگاه بر روی سیگنال الکترومیوگرافی عمل میکند و برای عملکرد گرفتن از بیمار کار میکند. شکستگی استخوان یکی دیگر از مشکلات شایع پزشکی است که در آن قالبهای پوشیدنی شخصی مبتنی بر پلیاتیلن با چگالی بالا (HDPE) یا پلیپروپیلن (PP) برای بازیابی موفقیتآمیز استخوان پیشنهاد و اجرا شده است[29].
5.4 تجهیزات ایمنی
همهگیری COVID-19 2020 اهمیت تجهیزات ایمنی با چاپ سهبعدی پلیمری را افزایش داده است، زیرا زمانی که نیاز به تجهیزات حفاظت شخصی بسیار بیشتر از تقاضا بود، عرضه تجهیزات ایمنی معمولی در مناطق خاصی ناکافی بود. فیلترها و ماسکهای ذرات چاپ سهبعدی پلیپروپیلن بهعنوان منبع جایگزین برای کمک به تأمین تقاضا و جلوگیری از مشکلات زنجیره تأمین پیشنهاد شدند[35]. علاوه بر این، در مطالعهای، ماسک تنفسی چاپ سهبعدی با استفاده از رشتههای TPU، ABS و PLA ساخته شد. این ماسک تنفسی قابل استفاده مجدد بود، به راحتی تمیز میشد و با تعداد دلخواه واحدهای فیلتراسیون قابل استفاده بود. شکلD8 کلاه ایمنی چاپ سهبعدی را برای استفاده بهعنوان تجهیزات حفاظت شخصی نشان میدهد[32]. جزء اصلی کلاه ایمنی فیلتر تنفسی را با کلاه ایمنی معمولی ادغام میکند تا وسیلهای کارامد برای ایجاد تجهیزات ایمنی بهصورت محلی فراهم کند. مطالعات تأیید کردهاند که مواد معماری چاپشده سهبعدی بهعنوان پوشش کلاه ایمنی برای محافظت در برابر آسیبهای سر و عملکرد مفید جذب انرژی قابل استفاده هستند. قابلیتهای جذب انرژی با استفاده از مواد درجهبندی شده عملکردی قابلتنظیم است. آسترهای کلاه ایمنی طراحیشده برای بارگذاری چندضربهای که معمولاً در هنگام تصادفات موتورسیکلت تجربه میشود، عملکرد خوبی دارند. آزمایش کلاه ایمنی نشان داده است که آسترها به استانداردهایی برای آزمایش ضربه دست یافتهاند، در حالی که تغییرات طراحی در اندازه سوراخها تنظیم برای عملکرد بهینه را فراهم میکند.
5.5 برنامهریزی جراحی
مدلهای برنامه ریزی جراحی با پلاستیکهای سفت و سخت از جمله PLA و ABS برای تجسم مدلهای اندام خاص بیمار قبل از عمل چاپ سهبعدی شدهاند. مدلهای عضو چاپشده سه بعدی بر اساس بیمار خاص با هزینه کم ساخته میشوند و در چندین زمینه پزشکی از جمله قلب و عروق، نورولوژی، اورولوژی و استخوانشناسی[31] استفاده شدهاند. شکلE8 مدل خارجی چاپ سهبعدی مخصوص بیمار را با استفاده از PLA نشان میدهد. این مدل برای اصلاح فنون ناهنجاریهای خارجی و برای آموزش جراحان جدید استفاده میشود. رشتههای ABS در قلب و عروق برای ساختن ساختارهای آناتومیکی خاص قلبی بیمار برای بهبود جریان ورودی در روش کاشت دستگاه استفاده شده است. مطالعات همچنین با استفاده از رزینهای پلیاستر ترموپلاستیک، مدلهای چاپ سهبعدی دقیق آناتومیکی را برای تنه ریوی و مجرای خروجی بطنی ساختهاند. رشتههای PLA و رزینهای مایع حساس به نور برای ساخت مدلهای آنوریسم چاپ سهبعدی با جمجمههای توخالی و دیوارههای صلب استفاده شدهاند. این مدلهای آنوریسم، آناتومیهای خاص بیمار مورد استفاده برای مطالعه هیدرودینامیک در سامانه را تکرار میکنند. فوتوپلیمرهای سفت و سخت برای ساخت مدلهای کلیه و پروستات با چاپ سهبعدی استفاده شدهاند. مدلسازی اختصاصی بیمار نیز برای کلیه با تومور قابل جابجایی انجام شد. به طور کلی، این برنامههای کاربردی چاپ راهی را برای جراحان فراهم میکند تا قبل از انجام یک جراحی واقعی، جراحی را به روشی کمتهاجمی تجربه کرده و برنامهریزی کنند[31].
5.6 تحویل دارو
تحویل دارو با چاپ سهبعدی امکان ساخت دارو برای نیازهای خاص بیمار، توزیع یکنواخت دارو و تولید مواد حاوی دارو بدون حلال را فراهم میکند. مشهای پلیکاپرولاکتون و تریکلسیمفسفات چاپ شده با چاپ سهبعدی نشان دادهاند که ریزمعماری بر اثربخشی دارورسانی تأثیر میگذارد. مطالعات درونتنی ((in vivo و برونتنی ((in vitro نشان میدهد که این سازههای دارورسانی در برابر باکتریهای گرم مثبت و گرم منفی مقاوم هستند، در حالی که بهطور بالقوه درصد بیشتری از داروی ترکیب شده را به بدن تحویل میدهند. تحویل دارو نیز با استفاده از چاپهای سهبعدی در خارج از بدن امکانپذیر است. شکلF8 آرایه میکروسوزن چاپشده سهبعدی را نشان میدهد که داروها را مستقیماً از طریق پوست برای ریزگردش در بدن هدایت میکند[30]. این روشهای زایمان معمولاً بدون درد باقی میمانند و در عین حال حملونقل کارآمدی را که نیازمند ساخت هندسی پیچیده در سطح میکرو است که با چاپ سهبعدی فعال میشود، ارتقا میدهند. میکروسوزنها با عرض نوک بین 65 تا 84 میکرومتر، گام 700 میکرومتر و ارتفاع بین 422 تا 481 میکرومتر ساخته میشوند. چاپ سهبعدی پلیمری همچنین برای ساخت سامانههای دارورسانی با اشکال دوز چند فعال، قرصهای آزادسازی متناسب با زمان و کپسولهای چند لایه استفاده میشود. این فناوری برای تحویل شخصی دارو نشان داده شده است که میتواند سرعت انتشار، ترکیب دارو و فواصل دوز را کنترل کند. دوز مورد نیاز در بیماران بر اساس عملکرد فیزیولوژیکی آنها متفاوت است، که انگیزه شخصیسازی برای بهبود پاسخهای بیمار را ایجاد میکند. میکروکپسولها و نانوکپسولهای پلیمری چاپ سهبعدی در سوسپانسیون مایع و سیالات بیولوژیکی پایدار میمانند که کارایی دارو را بهبود میبخشد و در نتیجه استفاده از آنها را برای آزادسازی کنترلشده دارو تحریک میکند[30].
5.7 آموزش پزشکی
علاوه بر افزایش مراقبت در کلینیکها، فنون چاپ سهبعدی نیز در بهبود آموزش و تحقیقات پزشکی استفاده شده است. مدلهای آناتومیک چاپ سه بعدی بهعنوان جایگزینی برای پیکر انسان در آموزش آناتومی استفاده میشود. این مدلها مزایای زیادی از جمله تکرارپذیری، متمایز چند رنگ آناتومی معمولی و بیمار، دوام، کپیهای متعدد از یک مدل با هر اندازه، ایمنی در حمل، صحت آناتومیک و مقرونبهصرفه بودن را ارائه میکنند. این مدلها با ایجاد مدل سهبعدی چند رنگ، اطلاعات دقیقی را در مورد ساختارهای آناتومیک متنوع ارائه میدهند و برای آموزش دانشجویان پزشکی استفاده شدهاند. لیم و همکاران کاربرد مدلهای چاپ سهبعدی را برای مطالعه آناتومی خارجی قلب نشان داد. مدلهای چاپ سهبعدی جایگزین مناسبی برای برنامه درسی مبتنی بر پیکر انسان هستند. این مدلها همچنین توسط دانشجویان پزشکی برای شبی سازی جراحی مجازی و تمرین عمل استفاده میشود]37[. علاوه بر این، از چاپ سهبعدی برای ساخت مدل فیزیکی زیستدرشتمولکولها نیز استفاده شده است. اخیراً چاکرابورتی و همکاران گزارش چاپ مدل فیزیکی مقیاسپذیر و انعطافپذیر زنجیره پلیپپتیدی را گزارش کردهاند که قادر به تا شدن در ساختارهای ثانویه پروتئینها است. این مدل بهعنوان ابزار مورد علاقه برای درک فرایند باز شدن تاشو زیستپلیمر عمل میکند. مطالعات بیشتر همچنین نشان داده است که مدلهای سهبعدی برای دانشجویان پزشکی در درک بهتر ساختارهای زیستمولکولی بسیار مفید هستند]37[.
6 چالشها و موانع چاپ سهبعدی
باوجود اینکه چاپ سهبعدی در دهه گذشته هنوز به سرعت در زمینه پزشکی رشد کرده است، چالشها و موانع اساسی زیادی از جمله چالشهای فناورانه و مقرراتی وجود دارد. چالشهای فناورانه چاپ سهبعدی شامل بهینهسازی شکل و طراحی است. الزامات قبل و بعد از پردازش، کنترل خطا در حین طراحی و چاپ. در دسترس بودن مواد و چالشهای چاپ چندمادهای، دسترسی، دقت و سرعت چاپگر زیستی، نیاز به افزایش وضوح، و سازگاری فنون موجود با مواد زیستی]37،36[. یکی از مسائل مهم محدودیت امکانات و قابلیت سفارشیسازی چاپگرهای سهبعدی است. فناوری چاپ در سالهای اخیر پیشرفت زیادی کرده است، اما همچنان از حد بهینه فاصله زیادی دارد، همانطور که در مورد چاپ ارگان وجود دارد. چاپگر زیستی، حتی چاپگر با کمک لیزر، در چاپ ساختار پیچیده ناهمگن مانند مویرگهای خونی در داخل اندامها با مشکلاتی مواجه است. علاوه بر این، چاپگر زیستی زمان قابلتوجهی در چاپ اندام صرف میکند. بنابراین، سرعت چاپ و پردازش زیستچاپگر باید با توجه به زنده بودن سلول افزایش یابد. بسیاری از چاپگرهای زیستی در مرحله آزمایشی هستند زیرا تجاریسازی به چاپگرهای مقرونبهصرفه، به راحتی در دسترس و بسیار کارآمد نیاز دارد. مسئله مهم دیگر عدم تطبیقپذیری و تنوع در مواد زیستی قابل چاپ سهبعدی است. مواد قابل چاپ سهبعدی مختلف خواص بسیار خوبی برای بسیاری از کاربردهای خارجی دیگر دارند، اما مواد قابل کاشت سازگار زیستی شامل ویژگیهای خاصی با در نظر گرفتن هر دو تعامل با محیط محلی بدن و شرایط فیزیولوژیکی است]36[. مواد موجود برای چاپ سهبعدی در پزشکی به دلیل ناسازگاری آنها با چاپگر یا به دلیل ویژگیهای اتصال متقابل یا اکستروژن محدود هستند. هر ماده برای کاربرد آن در پزشکی باید زیستسازگار و قابلچاپ باشد، سینتیک تخریب کنترل شده داشته باشد، قادر به تشکیل محصولات جانبی تخریب غیرسمی باشد، خواص مکانیکی و ساختاری لازم داشته باشد، و بیومیمیک بافت خاص را نشان دهد]36[. این الزامات عموماً بر اساس فناوری چاپ و کاربرد مورد نظر تعیین میشود. علاوه بر این، فناوریهای چاپ سهبعدی مشکلاتی را در مدلسازی و چاپ چندین مواد ایجاد میکنند. باوجود افزایش سریع تعداد مواد قابل چاپ سهبعدی، تعداد محدودی از مواد زیستسازگار و انعطافپذیر، تأییدیه FDA را دریافت کردهاند. کنترل کیفیت و دقت مدلهای چاپ سهبعدی عامل دیگری است که باید در راه اندازی خدمات چاپ سهبعدی پزشکی در نظر گرفت]37[.
7 نتیجهگیری
اخیراً، فناوریهای چاپ سهبعدی به دلیل سفارشیسازی، استحکام و انعطافپذیری بهعنوان ابزار بالقوه تحولآفرین در زمینههای چندرشتهای از جمله پزشکی رشد کردهاند. طیف گستردهای از فناوریهای موجود در حال حاضر بستری همه کاره را برای تبدیل نمونه اولیه به محصول تجاری فراهم میکند. مشخص شده است که ترکیب چاپ سهبعدی با فنون پزشکی توانایی توسعه ابزارهای بالینی متناسب با بیمار و پزشکی شخصی را دارد. بهویژه امکان ساخت ساختارهای پیچیده پزشکی و تشریحی مخصوص بیماران را با استفاده از مجموعه دادههای روشهای مختلف تصویربرداری مانند MRI و CT اسکن فراهم میکند. علاوه بر این، از اینها برای جایگزینی، ترمیم اندامهای معیوب، یا ایجاد اندام جدیدی که عملکردی مشابه اندام های اصلی انسان دارد، استفاده میشود. چاپ سهبعدی همچنین قابلیت زیادی برای مدلهای بافتی چاپ سهبعدی در شرایط آزمایشگاهی، اهداف غربالگری دارو، و پیشرفت پزشکان و آموزش بیماران نشان داده است. به طور کلی، پیشرفتها در چاپ سهبعدی پلیمری موفقیتهای زیادی را برای طرحهای پیادهسازی شده نشان داده است. باوجود پیشرفتهای قابلتوجه و هیجانانگیز، چالشها و موانع اساسی زیادی از جمله چالشهای فناورانه و مقرراتی وجود دارد. چالش های فناورانه چاپ سهبعدی شامل بهینهسازی شکل و طراحی است. الزامات قبل و بعد از پردازش؛ کنترل خطا در حین طراحی و چاپ. در دسترس بودن مواد و چالشهای چاپ چندمادهای، دسترسی، دقت و سرعت چاپگر زیستی، نیاز به افزایش وضوح، و سازگاری فنون موجود با مواد زیستی. بسیاری از انواع چاپگرهای سهبعدی بهدلیل نقص و چشمانداز اجرای عملی قادر به دستیابی به نیازهای بالینی نیستند. این چالشها و موانع باید برطرف شوند تا پتانسیل کامل چاپ سهبعدی آشکار شود. در سالهای آینده، ادغام تحقیقات در زمینههای مختلف مانند زیستشناسی سلولی، فیزیک، علوم پزشکی و مهندسی برای رفع این چالشها مورد نیاز است که در نتیجه باعث تحول در زمینه پزشکی میشود.
منابع
1. Egan P.F., Bauer I., Shea K., Ferguson S.J., Mechanics of Three-Dimensional Printed Lattices for Biomedical Devices, J. Mech. Des, 141, 031703, 2019.
[2] Provenzano, D.; Rao, Y.J.; Mitic, K.; Obaid, S.N.; Pierce, D.; Huckenpahler, J.; Berger, J.; Goyal, S.; Loew, M.H. Rapid Prototyping of Reusable 3D-Printed N95 Equivalent Respirators at the George Washington University, 2020030444. 2020.
[3] Moniruzzaman, M.; O’Neal, C.; Bhuiyan, A.; Egan, P.F. Design and Mechanical Testing of 3D Printed Hierarchical Lattices Using Biocompatible Stereolithography, 4, 22. 2020.
[4] Arabnejad, S.; Johnston, R.B.; Pura, J.A.; Singh, B.; Tanzer, M.; Pasini, D. High-strength porous biomaterials for bone replacement: A strategy to assess the interplay between cell morphology, mechanical properties, bone ingrowth and manufacturing constraints. Acta Biomater, 30, 345–356. 2016.
[5] Wang X, Ao Q, Tian X, Fan J, Wei Y, Hou W, Tong H, Bai Sh, . 3D bioprinting technologies for hard tissue and organ engineering. Materials; 9, 802. 2016.
[6] Gross B.C, Erkal J.L, Lockwood S.Y, Chen C, Spenc e D.M. Evaluation of 3D Printing and its Potential Impact on Biotechnology and the Chemical Sciences. ACS Publications; 2014.
[7] Xu Y, Wu X, Guo X, et al. The boom in 3D-printed sensor technology. Sensors; 17, 1166. 2017.
[8] Alifui-Segbaya, F.; Varma, S.; Lieschke, G.J.; George, R. Biocompatibility of Photopolymers in 3D Printing. 3d Print. Addit. Manuf, 4, 185–191. 2017.
[9] Miller, A.T.; Safranski, D.L.; Wood, C.; Guldberg, R.E.; Gall, K. Deformation and fatigue of tough 3D printed elastomer scaffolds processed by fused deposition modeling and continuous liquid interface production. J. Mech. Behav. Biomed. Mater, 75, 1–13. 2017.
[10] Nuseir, A.; Hatamleh, M.M.d.; Alnazzawi, A.; Al-Rabab’ah, M.; Kamel, B.; Jaradat, E. Direct 3D printing of flexible nasal prosthesis: Optimized digital workflow from scan to fit. J. Prosthodont, 28, 10–14. 2019.
[11] Egan, P.; Wang, X.; Greutert, H.; Shea, K.; Wuertz-Kozak, K.; Ferguson, S. Mechanical and biological characterization of 3D printed lattices. 3d Print. Addit. Manuf, 6, 73–81. 2019.
[12] Crump, M.R.; Bidinger, S.L.; Pavinatto, F.J.; Gong, A.T.; Sweet, R.M.; MacKenzie, J.D. Sensorized tissue analogues enabled by a 3D-printed conductive organogel. Npj Flex. Electron, 5, 1–8. 2021.
[13] ACFoAM Technologies, ACFoAMTSFo Terminology. Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies. ASTM International; 2012.
[14] Liaw C.-Y, Guvendiren M. Current and emerging applications of 3D printing in medicine. Biofabrication; 9:024102. 2017.
[15] Ikuta K, Hirowatari K. Real three dimensional micro fabrication using stereo lithography and metal molding, Micro Electro Mechanical Systems. In: MEMS’93, Proceedings an Investigation of Micro Structures, Sensors, Actuators, Machines and Systems IEEE. IEEE1993, 42–47. 1993.
[16] Bhatt acharjee N, Urrios A, Kang S, Folch A. The upcoming 3D-printing revolution in microfluidics. Lab a Chip; 16, 1720–1742. 2016.
[17] Kumar S. Selective laser sintering: a qualitative and objective approach. JOM (J Occup Med); 55, 43–47. 2003.
[18] Kruth J.-P, Mercelis P, Van Vaerenbergh J, Froyen L, Rombouts M. Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting. Rapid Prototyping J; 11, 26–36. 2005.
[19] Waheed S, Cabot J.M, Macdonald N.P, Lewis T, Guijt R.M, Paull B, Breadmore M.C,.. 3D printed microfluidic devices: enablers and barriers. Lab a Chip; 16, 1993–2013. 2016.
[20] Pilipović A, Raos P, Šercer M. Experimental analysis of properties of materials for rapid prototyping. Int J Adv Manuf Technol; 40, 105–115. 2009.
[21] Provaggi E, Kalaskar D.M. 3D printing families: laser, powder, nozzle based techniques. 3D Print Med; 21–42, 2017.
[22] Murphy S.V, Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nat Biotechnol; 32, 773. 2014.
[23] Park J, Tari M.J, Hahn H.T. Characterization of the laminated object manufacturing (LOM) process. Rapid Prototyp J; 6, 36–50. 2000.
[24] Mueller B, Kochan D. Laminated object manufacturing for rapid tooling and pa ern making in foundry industry. Comput Ind; 39, 47–53. 1999.
[25] Horn T.J, Harrysson O.L. Overview of current additive manufacturing technologies and selected applications. Sci Prog; 95, 255–282. 2012.
[26] Thompson S.M, Bian L, Shamsaei N, Yadollahi A. A n overview of Direct Laser Deposition for additive manufacturing; part I: transport phenomena, modeling and diagnostics. Additive Manufacturing; 8, 36–62. 2015.
[27] Egan, P.F.; Gonella, V.C.; Engensperger, M.; Ferguson, S.J.; Shea, K. Computationally designed lattices with tuned properties for tissue engineering using 3D printing, 12, e0182902. 2017.
[28] Revilla-León, M.; Gonzalez-Martín, Ó.; Pérez López, J.; Sánchez-Rubio, J.L.; Özcan, M. Position accuracy of implant analogs on 3D printed polymer versus conventional dental stone casts measured using a coordinate measuring machine. J. Prosthodont, 27, 560–567. 2018.
[29] Zuniga, J.; Katsavelis, D.; Peck, J.; Stollberg, J.; Petrykowski, M.; Carson, A.; Fernandez, C. Cyborg beast: A low-cost 3d-printed prosthetic hand for children with upper-limb differences. BMC Res, 8, 10. 2015.
[30] Economidou, S.N.; Lamprou, D.A.; Douroumis, D. 3D printing applications for transdermal drug delivery. Int. J. Pharm, 544, 415–424. 2018.
[31] Rubio-Perez, I.; Diaz Lantada, A. Surgical Planning of Sacral Nerve Stimulation Procedure in Presence of Sacral Anomalies by Using Personalized Polymeric Prototypes Obtained with Additive Manufacturing Techniques. Polymers, 12, 581. 2020.
[32] Erickson, M.M.; Richardson, E.S.; Hernandez, N.M.; Bobbert, D.W., II; Gall, K.; Fearis, P. Helmet Modification to PPE with 3D Printing During the COVID-19 Pandemic at Duke University Medical Center: A Novel Technique. J. Arthroplast, 35, S23–S27. 2020.
[33] Hollister, S.J.; Flanagan, C.L.; Zopf, D.A.; Morrison, R.J.; Nasser, H.; Patel, J.J.; Ebramzadeh, E.; Sangiorgio, S.N.; Wheeler, M.B.; Green, G.E. Design control for clinical translation of 3D printed modular scaffolds. Ann. Biomed. Eng, 43, 774–786. 2015.
[34] Mai, H.N.; Lee, K.B.; Lee, D.H. Fit of interim crowns fabricated using photopolymer-jetting 3D printing. J. Prosthet. Dent, 118, 208–215. 2017.
[35] Swennen, G.R.J.; Pottel, L.; Haers, P.E. Custom-made 3D-printed face masks in case of pandemic crisis situations with a lack of commercially available FFP2/3 masks. Int. J. Oral. Maxillofac. Surg, 49, 673–677. 2020.
[36] Roopavath U.K, Kalaskar D.M. Introduction to 3D printing in medicine. 3D Print Med:1– 20 Elsevier, 2017.
[37] Ballard D.H, Trace A.P, Ali S, Hodgdon T, Zygmont E.M, DeBenedectis M.C, Smith E.S, Richardson L.M, Patel J.M, Decker J.S, Lenchik L,. . Clinical applications of 3D printing: primer for radiologists. Acad Radiol; 25:52–65. 2018.
* amirhasnvand.contact@gmail.com