Microestructuras a la Carta: La Impresión 3D de Hielo a Escala Microscópica

Los avances en la impresión 3D han permitido muchas aplicaciones en una variedad de disciplinas, incluida la medicina, la fabricación y la energía. Se puede utilizar una gama de materiales diferentes para imprimir tanto cimientos simples como detalles finos, lo que permite la creación de estructuras con geometrías personalizadas.

Sin embargo, crear estructuras con huecos y canales internos precisos a microescala sigue planteando desafíos. Los andamios utilizados en la ingeniería de tejidos, por ejemplo, deben contener una red tridimensional compleja de conductos que imiten la vasculatura humana. Con la fabricación aditiva tradicional, donde el material se deposita capa por capa, es difícil imprimir características internas tan intrincadas sin sacrificar tiempo, precisión y recursos.

Para abordar este problema, Philip LeDuc y Burak Ozdoganlar, profesores de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon, están encabezando el desarrollo del proceso de impresión de hielo 3D de forma libre (3D-ICE). Esta técnica utiliza un enfoque de impresión 3D gota a gota con agua como sustituto de las tintas de impresión convencionales. Una boquilla de inyección de tinta piezoeléctrica expulsa pequeñas gotas de agua sobre una plataforma de construcción mantenida por debajo del punto de congelación. Esto hace que las gotitas se congelen poco después del contacto.

De manera única, el proceso se puede controlar para depositar una o más gotitas antes de que la gotita anterior se congele. Como tal, permanece una tapa de agua sobre la estructura impresa y la congelación avanza desde la parte inferior. Esto permite la creación de estructuras con paredes lisas, transiciones y ramificaciones. Se pueden fabricar características tan pequeñas como el cabello humano. A medida que se depositan más gotas, una estructura de hielo toma forma en la plataforma de construcción. El diámetro, la altura y la suavidad relativa de la geometría del pilar se pueden ajustar controlando la tasa de deposición de gotas y las temperaturas de la superficie de impresión, la gota y el espacio de trabajo. Si la plataforma de construcción se desplaza de modo que la gota entrante golpea en ángulo, el frente de congelación girará en consecuencia, lo que permitirá producir estructuras ramificadas, curvas y en voladizo que serían desafiantes o imposibles de imprimir con técnicas alternativas de impresión 3D sin materiales de soporte adicionales.

“El hielo 3D podría usarse como un material de sacrificio, lo que significa que podríamos usarlo para crear canales con forma precisa dentro de las piezas fabricadas”, dijo LeDuc. “Eso sería útil en muchas áreas, desde la creación de nuevos tejidos hasta la robótica blanda”.

Desde el inicio de su proyecto, el equipo de investigación de LeDuc y Ozdoganlar ha investigado formas de garantizar que el proceso de hielo 3D sea predecible y reproducible. En su artículo reciente publicado en las Actas de las Academias Nacionales (PNAS, Garg et al., 2024), describen modelos numéricos 2D y 3D para dilucidar la física detrás del hielo 3D, incluida la transferencia de calor, la dinámica de fluidos y el rápido cambio de fase de líquido a sólido durante el proceso de impresión.

Sus modelos 2D mapean la construcción de pilares rectos, incluidos los efectos respectivos de la deposición en capas y la deposición suave. “La frecuencia de deposición de gotas afecta la altura y el ancho de la estructura”, dijo Ozdoganlar. “Si deposita rápidamente, la tapa de agua crece, produciendo estructuras más anchas. Si deposita lentamente, la estructura se vuelve más estrecha y más alta. También hay efectos de la temperatura del sustrato. Para la misma tasa de deposición de gotas, una temperatura del sustrato más baja produce estructuras más altas “.

Sus modelos 3D mapean la construcción de estructuras oblicuas prediciendo la rotación del frente de congelación. “Tienes todo tipo de transferencia de calor, incluida la conducción hacia abajo y la convección hacia el área circundante”, dijo Ozdoganlar. “Todas esas cosas funcionan simultáneamente cuando depositas cada gota. Si deposita oblicuamente, parte de la gota se derrama por el costado del pilar antes de congelarse. Y a medida que sigues depositando en ese ángulo, el frente de congelación cambia lentamente de forma y la estructura crece en esa dirección “.

Además de refinar aún más sus modelos matemáticos, los laboratorios de LeDuc y Ozdoganlar ahora buscan escalar 3D-ICE y explorar su eficacia en una gama de aplicaciones. Por ejemplo, las estrategias actuales en ingeniería de tejidos a menudo implican diseñar tejidos generalizados. 3D-ICE pronto podría hacer posible imprimir tejidos personalizados que coincidan con la estructura única de la vasculatura de cada paciente, satisfaciendo las necesidades específicas del cuerpo del paciente. Además, 3D-ICE permitirá la creación de construcciones de tejidos funcionales para su uso en la comprensión de diferentes enfermedades o el desarrollo de nuevos tratamientos.

“Cuando comencé mi laboratorio, nunca habría imaginado que estaríamos imprimiendo hielo en 3D y usándolo para crear tejidos para ayudar a la gente”, dijo LeDuc. “Pero nuestra investigación ha evolucionado. Ha unido a personas como Burak y a mí, y todos traen todo tipo de perspectivas y capacidades diferentes a la mesa. Es algo maravilloso hacer este trabajo juntos donde la suma de las partes es definitivamente mayor que las partes individuales en esta ciencia e ingeniería transdisciplinarias “.