Microesculturas impressas em 3D com “tintas” macromoleculares avançadas

Quando pensamos em impressão 3D, nossa mente geralmente pula para bicos quentes esguichando plástico derretido. Outras técnicas populares incluem piscar luz brilhante em resina ou usar lasers para fundir pós metálicos. Todas essas técnicas são ótimas para produzir peças com geometrias complicadas em escalas de mesa.

No entanto, também é possível imprimir em 3D em escalas totalmente microscópicas. Pesquisadores na Alemanha desenvolveram "tintas" macromoleculares avançadas que podem ser usadas para criar esculturas 3D microscópicas com um controle mais preciso do que nunca.

Na vanguarda da impressão 3D, a equipe de Eva Blasco na Universidade de Heidelberg criou com sucesso estruturas impressas em 3D com sequências moleculares meticulosamente projetadas. Essa técnica ecoa a precisão encontrada em polímeros no mundo natural – semelhante à maneira como o DNA pode codificar aminoácidos precisamente específicos de composição exata.

Os pesquisadores primeiro projetaram meticulosamente a sequência molecular de suas tintas, com o objetivo de obter um controle sem precedentes das propriedades fundamentais do produto impresso. Em termos mais simples, Blasco e sua equipe trabalharam para organizar as moléculas em uma sequência personalizada para criar estruturas únicas com propriedades precisas.

A equipe de Blasco criou uma série de tintas, cada uma com permutações únicas de oito unidades moleculares, para observar como a alteração da sequência afeta as propriedades das estruturas impressas. Estes são referidos como polímeros definidos por sequência ou macromolecularmente definidos na literatura científica. Eles geralmente requerem síntese química complexa para produzir moléculas com a estrutura desejada precisa. Essas moléculas construídas com precisão podem ter aplicações mais amplas em domínios como armazenamento de dados, criptografia ou aplicações farmacêuticas, supondo que os pesquisadores possam dominar sua manipulação no nível molecular.

No caso da pesquisa de Blasco, o objetivo era determinar se diferentes macromoléculas definidas em sequência poderiam criar materiais com propriedades variadas. O objetivo era projetar com precisão as moléculas para serem adequadas para um processo semelhante à impressão 3D chamado impressão a laser de dois fótons, ou 2PLP. Atualmente popular como uma ferramenta para trabalhar com microfluídica e micro-óptica, ela pode ser usada para criar estruturas minúsculas no nível microscópico. A luz laser focalizada é usada para polimerizar um material em um ponto preciso, repetidas vezes, para construir estruturas 3D. Tal como está, os materiais comerciais atualmente disponíveis para esse uso são considerados de composição imprecisa. Assim, o objetivo era criar tintas molecularmente exatas para este processo de polimerização.

A equipe de pesquisa criou três sequências diferentes de macromoléculas usando (B) unidades não funcionais e fotorreticuláveis ​​(C). As sequências utilizadas foram alternada (BCBCBCBC), tribloco (CCBBBBCC) e bloco (BBBBCCCC). As mudanças na sequência tiveram efeitos diretos na printabilidade das tintas, devido às estruturas distintas em nível molecular.

As tintas foram usadas para imprimir uma variedade de microestruturas que foram então avaliadas quanto às suas propriedades mecânicas e químicas. Isso foi obtido com testes de nanoindentação e espectroscopia Raman, respectivamente. Demorou um pouco, tanto na síntese quanto no controle do processo de impressão a laser, mas a equipe conseguiu produzir uma variedade de estruturas usando as novas tintas.

Notavelmente, os resultados mostraram que a estrutura alternada teve a melhor printabilidade das três testadas. A estrutura em bloco apresentou o menor Módulo de Young, superado pelo tribloco, com a sequência alternada apresentando o maior resultado e, portanto, exibindo a maior rigidez. Enquanto isso, a análise química mostrou que a estrutura em bloco exigia a maior potência do laser para produzir estruturas estáveis, enquanto a versão alternada produzia impressões estáveis ​​com potências de laser mais baixas e um menor grau de reticulação.

Os testes iniciais acima foram realizados em estruturas simples de buckyball impressas com o método 2PLP. No entanto, para mostrar melhor o desempenho das tintas, a equipe de pesquisa também imprimiu em 3D algumas estruturas mais complexas, semelhante à maneira como o modelo de benchmark Benchy é usado para obter uma visão holística do desempenho de uma impressora 3D comum. Os pesquisadores imprimiram um modelo de tucano usando a tinta de estrutura alternada, exibindo uma grande saliência de 10 um no bico do pássaro. A tinta tribloco foi usada para imprimir um coala, exibindo pêlos finamente detalhados, enquanto um modelo de canguru impresso com tinta de bloco novamente demonstra saliências bem-sucedidas e detalhes finos.