![\"fig_3_222.jpg\"](\"https:\/\/micronora.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/fig_3_222.jpg\")
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En utilisant l’eau comme outil sacrificiel, les chercheurs de Carnegie Mellon ont cr\u00e9\u00e9 une m\u00e9thode \u00e0 l’\u00e9chelle microscopique pour l’impression 3D de structures complexes suffisamment petites pour cr\u00e9er une vascularisation dans un tissu artificiel. Cette recherche biom\u00e9dicale a potentiellement des implications pour d’autres applications \u00e0 l’\u00e9chelle microscopique et micro fluidique.<\/strong><\/p>\n Par St\u00e9phanie Hendrixson, Executive Editor, Additive Manufacturing <\/em><\/p>\n Observer le processus, c’est presque assister \u00e0 quelque chose de magique, et en fait, les images ressemblent plus \u00e0 un documentaire sur la nature qu’\u00e0 un film tourn\u00e9 dans une imprimante 3D. Une structure arborescente s’\u00e9l\u00e8ve dans le cadre, chaque branche transparente s’\u00e9tirant \u00e0 partir de celles qui la pr\u00e9c\u00e8dent dans une danse \u00e9l\u00e9gante. En quelques secondes, un r\u00e9seau de minuscules branches est termin\u00e9, enti\u00e8rement imprim\u00e9 en 3D \u00e0 partir de glace.<\/p>\n Ce proc\u00e9d\u00e9 d’impression 3D de la glace reproductible et \u00e0 grande vitesse est le r\u00e9sultat de recherches en cours \u00e0 l’universit\u00e9 Carnegie Mellon. Les professeurs Burak Ozdoganlar et Philip LeDuc, ainsi que le doctorant Akash Garg, ont explor\u00e9 une m\u00e9thode permettant de recr\u00e9er la vascularisation – les vaisseaux sanguins qui parcourent nos organes, notre peau et d’autres tissus – pour des applications biom\u00e9dicales, notamment des organes et des tissus artificiels. Une partie du probl\u00e8me r\u00e9side dans le fait que ces vaisseaux sanguins sont minuscules, de l’ordre de quelques dizaines de microns. Mais c’est aussi une partie de l’opportunit\u00e9 : la ma\u00eetrise de la capacit\u00e9 \u00e0 imprimer des vaisseaux sanguins suffisamment petits pour les imiter \u00e0 d’autres applications potentielles pour la fabrication \u00e0 micro-\u00e9chelle.<\/p>\n De la glace imprim\u00e9e en 3D comme mod\u00e8le sacrificiel<\/strong><\/p>\n Avec cette m\u00e9thode d’impression 3D de la glace, les chercheurs ne construisent pas directement les vaisseaux ou les objets souhait\u00e9s. La glace sert plut\u00f4t d’outillage sacrificiel : elle est imprim\u00e9e, recouverte d’un autre mat\u00e9riau, puis retir\u00e9e pour laisser un moule \u00e0 paroi lisse et finement d\u00e9taill\u00e9. La glace sert de mod\u00e8le, suffisamment solide et rigide pour conserver sa forme pendant le moulage, mais facile \u00e0 retirer de sa cavit\u00e9.<\/p>\n Les travaux pr\u00e9c\u00e9dents, qui visaient \u00e0 imprimer des mod\u00e8les en cire pour la vascularisation, ont \u00e9chou\u00e9 parce que la cire ne pouvait pas conserver sa forme de mani\u00e8re ad\u00e9quate en trois dimensions et que son retrait risquait d’introduire des sous-produits ou de d\u00e9former la g\u00e9om\u00e9trie. C’est Akash Garg qui a sugg\u00e9r\u00e9 d’imprimer en 3D avec de l’eau. L’\u00e9quipe a exploit\u00e9 un dispositif de d\u00e9p\u00f4t de gouttelettes existant, le transformant en une imprimante 3D \u00e0 glace gr\u00e2ce \u00e0 l’int\u00e9gration d’une plaque de construction maintenue extr\u00eamement froide (-35\u00b0C pour \u00eatre pr\u00e9cis).<\/p>\n La plaque de construction est le seul m\u00e9canisme de mouvement et de cong\u00e9lation : lorsque les gouttelettes d’eau sont d\u00e9pos\u00e9es \u00e0 sa surface ou sur des structures de glace existantes, elles se figent rapidement sur place, conservant leur forme et permettant de cr\u00e9er des caract\u00e9ristiques g\u00e9om\u00e9triques impressionnantes, comme des surplombs proches de l’horizontal \u00e0 80 degr\u00e9s.<\/p>\n Une fois termin\u00e9s, les “motifs” de glace ayant la forme des passages internes souhait\u00e9s peuvent \u00eatre transf\u00e9r\u00e9s – toujours sur leur plaque de construction glac\u00e9e – dans la cuve de collag\u00e8ne, de r\u00e9sine ou d’un autre mat\u00e9riau qui constitue ces structures internes. Ce mat\u00e9riau est durci, et la glace peut alors \u00eatre fondue ou sublim\u00e9e.<\/p>\n La sublimation – passage direct de l’\u00e9tat solide \u00e0 l’\u00e9tat gazeux d’un mat\u00e9riau – est souvent l’id\u00e9al, selon Ozdoganlar. Bien que l’eau soit l’un des mat\u00e9riaux les plus biocompatibles au monde (et qu’elle \u00e9vite donc les probl\u00e8mes de contamination pos\u00e9s par la cire), la transformer en eau avant de l’enlever pourrait endommager les structures d\u00e9licates ou laisser du liquide pi\u00e9g\u00e9 \u00e0 l’int\u00e9rieur. La meilleure fa\u00e7on de l’\u00e9liminer est de la convertir en vapeur d’eau qui peut sortir de la structure, sans laisser de trace derri\u00e8re elle.<\/p>\n Cong\u00e9lation de formes libres<\/strong><\/p>\n Outre la temp\u00e9rature, l’impression 3D avec de la glace n\u00e9cessite \u00e9galement un contr\u00f4le plus pr\u00e9cis du mouvement et du d\u00e9p\u00f4t. Le code G habituel ne fonctionne pas pour l’impression sur glace en raison du comportement des gouttelettes d’eau ; chaque nouvelle gouttelette forme une flaque d’eau (semblable \u00e0 la flaque de fusion observ\u00e9e dans d’autres processus) avant de geler, qui s’\u00e9largit progressivement \u00e0 mesure que la gouttelette est d\u00e9pos\u00e9e loin de la plaque de construction. L’impression directe sans modification des param\u00e8tres finit par donner une forme de c\u00f4ne invers\u00e9, plut\u00f4t qu’une colonne droite. Pour compenser cela, les chercheurs ont d\u00fb d\u00e9velopper leur propre logiciel de contr\u00f4le pour modifier la fr\u00e9quence des gouttelettes d’eau au fur et \u00e0 mesure de la construction ; plus on s’\u00e9loigne de la plateforme de construction, plus la fr\u00e9quence doit \u00eatre basse pour laisser le temps \u00e0 chaque gouttelette de geler.<\/p>\n Colonnes de glace imprim\u00e9es en 3D <\/strong><\/p>\n La g\u00e9om\u00e9trie des structures de glace est contr\u00f4l\u00e9e \u00e0 la fois par la taille de la gouttelette (diam\u00e8tre de la buse) et par la fr\u00e9quence. Les gouttelettes plus petites g\u00e8lent plus rapidement et une fr\u00e9quence plus \u00e9lev\u00e9e cr\u00e9e des formes plus lisses. Cr\u00e9dit photo : Informations compl\u00e9mentaires sur https:\/\/doi.org\/10.1002\/advs.202201566 <\/a><\/p>\n Mais la cong\u00e9lation rapide des gouttelettes d’eau ouvre \u00e9galement cette plateforme \u00e0 une plus grande libert\u00e9 g\u00e9om\u00e9trique. Plut\u00f4t que d’imprimer des structures en les d\u00e9posant une couche \u00e0 la fois, l’imprimante \u00e0 glace permet d’imprimer un \u00e9l\u00e9ment \u00e0 la fois, de mani\u00e8re continue le long de l’axe ou de la courbe de la structure. Les transitions d’une gouttelette \u00e0 l’autre peuvent \u00eatre tr\u00e8s douces, sans lignes de couche ou autres artefacts du processus.<\/p>\n “Il s’agit d’une v\u00e9ritable impression de forme libre<\/em>“, explique M. DeLuc. “Nous faisons simplement cro\u00eetre les structures de glace dans les directions o\u00f9 nous voulons les faire cro\u00eetre<\/em>“.<\/p>\n “Le fait de pouvoir contr\u00f4ler simultan\u00e9ment la fr\u00e9quence et le mouvement des gouttelettes nous permet de cr\u00e9er les structures sans aucun mat\u00e9riau de support”, explique Ozdoganlar. “Nous pouvons litt\u00e9ralement faire pousser le tronc d’arbre et les branches, plut\u00f4t que de proc\u00e9der couche par couche<\/em>“.<\/p>\n L’avenir de l’impression 3D de la glace<\/strong><\/p>\n L’\u00e9quipe a \u00e9t\u00e9 en mesure d’imprimer des \u00e9l\u00e9ments \u00e0 l’\u00e9chelle microscopique (jusqu’\u00e0 20 microns) avec l’\u00e9quipement existant. Elle travaille actuellement sur des mises \u00e0 niveau de l’imprimante qui permettront d’obtenir des d\u00e9tails plus fins, des constructions plus grandes et m\u00eame des \u00e9l\u00e9ments enti\u00e8rement horizontaux. L’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique pourraient \u00eatre appliqu\u00e9s pour rendre le processus autocorrectif \u00e0 l’avenir.<\/p>\n (Ce n’est l\u00e0 qu’une des utilisations possibles de l’apprentissage automatique dans la fabrication additive, une autre provenant \u00e9galement de Carnegie Mellon).<\/p>\n Pour ce qui est de l’avenir de l’impression 3D sur glace, Ozdoganlar et LeDuc ont beaucoup de travail en cours et refusent naturellement d’en dire trop. Si, jusqu’\u00e0 pr\u00e9sent, les travaux se sont concentr\u00e9s sur les applications biom\u00e9dicales, les deux chercheurs envisagent de nombreuses autres utilisations en micro fluidique, en robotique douce et m\u00eame en art.<\/p>\n
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\n“La vascularisation a \u00e9t\u00e9 un probl\u00e8me cl\u00e9 dans les \u00e9chafaudages de tissus<\/em>“, <\/strong> explique Ozdoganlar. “Vous pouvez cr\u00e9er en laboratoire des grappes de cellules assez grandes, mais si elles ne sont pas vascularis\u00e9es, ces cellules finissent par mourir en peu de temps parce qu’elles ne re\u00e7oivent pas de nutriments et n’\u00e9liminent pas de mat\u00e9riaux. Cela a \u00e9t\u00e9 le Graal – \u00eatre capable de cr\u00e9er une vascularisation tridimensionnelle similaire \u00e0 ce que nous voyons dans le corps humain.<\/em>”<\/p>\n