Partikel Mikroskopis Cetak 3D Dapat Mengubah Kedokteran dan Elektronika

Revolusi dalam dunia pencetakan 3D terjadi dengan sangat cepat. Awal bulan ini, sebuah perusahaan di Jerman dibuat Rumah Gelombang menggunakan pencetakan 3D. Ini adalah bangunan cetak 3D terbesar di Eropa, seluas 600 meter persegi (6,600 kaki persegi), dan memiliki tampilan yang tidak biasa karena memiliki desain gelombang yang tidak dapat diwujudkan melalui metode konstruksi konvensional. Teknologi pencetakan konstruksi 3D memberikan kebebasan desain dan memakan waktu sekitar 140 jam.

Minggu lalu, pertama kalinya di dunia Masjid yang dicetak 3DMasjid seluas 5,600 meter persegi ini dibuka di Jeddah, Arab Saudi. Pembangunan masjid ini memakan waktu enam bulan.

Dalam hal teknologi pencetakan 3D, ICON yang berbasis di Texas baru-baru ini meluncurkan Printer 3D yang dipasangi lengan robot bernama Phoenix. Printer ini dapat menciptakan struktur bertingkat dengan sistem tertutup sepenuhnya dari campuran rendah karbon. Dengan tinggi 70 meter, Phoenix memungkinkan konstruksi yang lebih tinggi (hingga 27 meter) dibandingkan printer ICON saat ini, Vulcan, yang memiliki sistem gantry dengan sasis yang lebih dekat ke tanah. 

Perusahaan juga telah mengumumkan pengembangan campuran material baru yang disebut CarbonX, yang merupakan “sistem bangunan perumahan dengan karbon terendah yang siap digunakan dalam skala besar.” Selain itu, ICON telah mengintegrasikan AI ke dalam sistemnya sehingga siapa pun dapat merancang skema rumah yang dapat dicetak 3D melalui platform Vitruvius.

Tapi ini tidak semua. Bulan lalu, pencetakan 3D diizinkan pembuatan mata prostetik yang tampak sangat realistis hanya dalam waktu 90 menit, berbeda dengan biasanya yang membutuhkan waktu 8 jam, dibutuhkan teknisi ahli untuk membuatnya secara manual. Lalu ada pencetakan 3D drone, propelan, dan bahan peledak. 

Percetakan 3D, seperti yang telah kami bahas sebelumnya, jelas berkembang pesat, hal ini wajar mengingat minat di bidang ini meningkat pesat. Meningkatnya minat ini disebabkan oleh kemampuan teknik ini untuk membuat bentuk khusus dan mencetak berbagai jenis material dalam satu bagian, sehingga menghemat biaya dan material sekaligus ramah lingkungan.

Juga disebut manufaktur aditif, pencetakan 3D melibatkan penempatan material lapis demi lapis menggunakan printer untuk membuat suatu objek. Namun hal ini bukannya tanpa tantangan, terutama dalam hal keterbatasan material, bentuk material tertentu, keterbatasan ukuran, ketidakakuratan desain, dan masih banyak lagi.

Oleh karena itu, para ilmuwan berupaya menemukan cara untuk mengatasi tantangan ini dan menjadikan pencetakan 3D lebih efektif dan dapat diterapkan dalam skala besar.

Baru-baru ini, sebuah penelitian merancang proses baru untuk pencetakan 3D pada skala mikro yang menghasilkan partikel, dengan kecepatan hingga 1 juta setiap hari, di hampir semua bentuk untuk digunakan dalam manufaktur, kedokteran, dan penelitian. 

Partikel Mikroskopis pencetakan 3D

Diterbitkan di Nature, itu belajar disebut “pencetakan 3D roll-to-roll, resolusi tinggi dari partikel dengan bentuk tertentu” dan dilakukan oleh para peneliti dari Universitas Stanford. 

Pihak-pihak yang terlibat dalam penelitian ini antara lain Jason M. Kronenfeld, seorang mahasiswa pascasarjana Ph.D. dari Departemen Kimia Stanford, sementara Lukas Rother dan Maria T. Dulay bekerja di Departemen Radiologi. Max A. Saccone dan Joseph M. DeSimone merupakan anggota Departemen Radiologi dan juga Departemen Teknik Kimia.

Dalam studi tersebut, para peneliti mencatat bagaimana fabrikasi partikel menjadi populer berkat beragam aplikasinya dalam mikroelektronika, abrasif, sistem granular, mikrofluida, bioteknologi, serta pengiriman obat dan vaksin.

Meskipun partikel-partikel cetak 3D yang sangat kecil ini memiliki beragam aplikasi, partikel-partikel tersebut memerlukan koordinasi yang tepat antara pergerakan panggung, penyampaian cahaya, dan sifat resin (zat yang sangat lengket). Hal ini membuat fabrikasi partikel skala mikro khusus yang dapat diskalakan sulit dicapai. 

Oleh karena itu, para peneliti Stanford memperkenalkan teknik pencetakan 3D resolusi tinggi, yang dapat diskalakan untuk pembuatan partikel dengan bentuk tertentu. Teknik pemrosesan ini, yang didasarkan pada produksi antarmuka cair berkelanjutan roll-to-roll (r2rCLIP), jauh lebih efisien dalam mencetak partikel skala mikro yang sangat detail dan dapat disesuaikan dalam jumlah besar per hari.

Menurut penulis utama studi tersebut, Kronenfeld, kandidat Ph.D. di laboratorium DeSimone, teknik ini memungkinkan bentuk yang lebih kompleks dibuat pada skala mikroskopis, dari berbagai macam bahan, dan pada kecepatan yang belum pernah terlihat sebelumnya untuk fabrikasi partikel. 

Penelitian ini didasarkan pada teknik pencetakan yang disebut produksi antarmuka cair berkelanjutan (CLIP), yang diperkenalkan hampir satu dekade lalu, pada tahun 2015, oleh DeSimone dan rekannya. 

CLIP menggunakan sinar UV dan memproyeksikannya dalam irisan untuk mengeringkan resin dengan cepat ke bentuk yang diinginkan. Yang membedakan teknik ini adalah terdapat jendela di atas proyektor sinar UV yang memungkinkan oksigen masuk. Jendela yang permeabel terhadap oksigen ini mencegah resin cair menempel dengan menciptakan apa yang disebut "zona mati". Oleh karena itu, kami dapat mengeringkan fitur-fitur halus tanpa merobek setiap lapisan dari jendela, sehingga menghasilkan pencetakan partikel yang lebih cepat.

Rekan penulis DeSimone, yang merupakan Profesor Kedokteran Translasional Sanjiv Sam Gambhir di Stanford dan bertanggung jawab atas berbagai terobosan di bidang perangkat medis, nanomedicine, dan pencetakan 3D, mengatakan:

“Menggunakan cahaya untuk membuat objek tanpa cetakan membuka cakrawala baru dalam dunia partikel.” 

Mewujudkannya pada tingkat yang terukur dapat memberikan peluang lebih lanjut untuk menggunakan partikulat ini “untuk menggerakkan industri masa depan,” tambahnya.

Klik di sini untuk mempelajari apa yang membuat pencetakan 3D memiliki potensi pasar senilai $500 miliar.

r2rCLIP untuk Mengaktifkan Produksi Massal

Berdasarkan CLIP, para peneliti menciptakan proses baru untuk memproduksi secara massal dengan bentuk yang unik partikel berskala nano. Pertama, mereka dengan hati-hati mengencangkan film dan mengirimkannya ke printer CLIP, tempat ratusan bentuk dicetak ke film pada saat yang bersamaan.

Kemudian dilanjutkan dengan mencuci, mengawetkan, dan menghilangkan bentuknya. Semua langkah ini dapat disesuaikan tergantung pada bahan yang digunakan dan bentuk yang digunakan. Film yang kosong, akhirnya, digulung kembali, oleh karena itu dinamakan roll-to-roll CLIP, atau r2rCLIP. 

Penggunaan optik resolusi mikron satu digit, bersama dengan gulungan film yang berkesinambungan alih-alih platform statis, memungkinkan para peneliti mencapai fabrikasi yang dapat diubah dengan cepat serta lepas landasnya partikel dari bahan yang berbeda dan dengan geometri yang lebih rumit. 

Berdasarkan penelitian, geometri tersebut mencakup geometri yang tidak dapat dicapai dengan teknik cetakan canggih, sehingga memperlihatkan kemampuan unik dari pendekatan tim tersebut.

Baik bentuk r2rCLIP yang dapat dicetak maupun tidak dapat dicetak ditunjukkan dengan voxel (sampel tunggal pada kisi 3D dengan jarak teratur) berukuran 2.0 × 2.0 µm2 dalam cetakan dan memiliki ketebalan yang tidak didukung sebesar 1.1 ± 0.3 µm. 

Sebelum CLIP roll-to-roll, sekumpulan partikel yang dicetak harus diproses secara manual, yang merupakan proses lambat yang memerlukan upaya fisik yang besar. Otomatisasi r2rCLIP kini memungkinkan fabrikasi pada tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya, yaitu hingga 1,000,000 partikel setiap hari.

Proses pencetakan partikel mencapai otomatisasi penuh melalui penggantian pelat cetak statis printer CLIP dengan sistem film kontinu, modular, dan rol-ke-rol. Hal ini memungkinkan pasca-pemrosesan otomatis yang mencakup pembersihan, pasca-pengerasan, dan pelepasan partikel (pemanenan). 

Dalam makalahnya, tim mencatat bahwa keuntungan besar menggunakan teknik CLIP roll-to-roll untuk fabrikasi partikel adalah proses bawaannya yang tidak berjamur. Hal ini memungkinkan produksi berbagai geometri partikel tanpa harus mengubah tata letak.

Dalam fabrikasi partikel, pendekatan yang berbeda melibatkan trade-off antara skalabilitas, kecepatan, keseragaman, sifat material, dan kontrol geometri. Misalnya, meskipun beberapa proses dapat mencetak pada skala nanometer, proses tersebut cenderung lebih lambat. 

"Kami sedang mencari keseimbangan yang tepat antara kecepatan dan resolusi," ujar Kronenfeld. Teknik mereka, ujarnya, "sangat mampu" menghasilkan keluaran beresolusi tinggi, tetapi juga dapat mempertahankan kecepatan yang dibutuhkan untuk memenuhi volume produksi partikel yang dibutuhkan untuk berbagai aplikasi. 

Dia menambahkan:

“Teknik dengan potensi dampak translasi harus dapat diadaptasi dari skala laboratorium penelitian hingga produksi industri.” 

Aplikasi Luas

Penelitian yang didanai oleh National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program dan Bill & Melinda Gates Foundation ini bertujuan untuk diadopsi secara luas oleh peneliti dan industri lain.

Dengan pencetakan 3D yang berkembang pesat, r2rCLIP di sini berdiri sebagai "teknologi dasar," kata DeSimone, yang merupakan direktur fakultas pendiri Pusat Pendampingan STEMM Satnford, wakil direktur Pusat Canary di Stanford untuk Deteksi Dini Kanker, dan rekan fakultas Sarafan ChEM-H.

Namun, menurut DeSimone, industri ini mulai fokus pada produk 3D dibandingkan proses tersebut, yang “menjadi jelas berharga dan berguna.” Jadi, pertanyaannya sekarang adalah: 

“Apa saja aplikasi yang bernilai tinggi?”

Berdasarkan penelitian, partikel mikroskopis dengan desain rumit memungkinkan integrasi langsung dalam aplikasi material analitis, biomedis, dan canggih.

Para peneliti sendiri telah bereksperimen dengan produksi partikel lunak dan keras, yang terbuat dari hidrogel, yang dapat diterapkan dalam pengiriman obat ke dalam tubuh, dan keramik, yang dapat digunakan dalam pembuatan mikroelektronika.

Dengan menggunakannya dalam produksi partikel hidrogel, pengisian partikel-partikel ini menjadi mungkin untuk mencapai profil pelepasan yang dapat disesuaikan, gradien, atau pulsatil dalam satu injeksi tunggal. Banyak penelitian sebelumnya telah mengeksplorasi pembuatan sistem resin fotopolimer yang sesuai dan mengkaji pengaruh bentuk, ukuran, dan biokompatibilitas material terhadap lokalisasi dan penghantaran. Hal ini mengarah pada penciptaan bioscaffold dan manifold penghantaran, yang membuka banyak prospek untuk fabrikasi partikel hidrogel untuk penghantaran obat meskipun tidak melibatkan prosedur fabrikasi yang skalabel dan dapat diubah. 

Di sini, tim membuat kubus hidrogel dengan ukuran unit 400 µm dan secara manual mengisinya dengan sekitar delapan nl kargo representatif pasca-cetak, diikuti dengan topping dengan tutup hidrogel. Studi ini menyoroti potensi palet pelepasan kargo yang dapat diprogram melalui penelitian masa depan dengan memanfaatkan studi sebelumnya tentang kinetika kendaraan pengantar obat dan memanfaatkan sifat berat molekul dan ketebalan dinding yang dapat disesuaikan.

Keserbagunaan material dan mekanik, mulai dari keramik hingga hidrogel, juga dapat membantu dalam pembuatan material cerdas. Jadi, dengan menunjukkan potensi fabrikasi dalam rentang yang luas, pendekatan produksi partikel yang dapat diskalakan ini juga berpotensi diterapkan pada peralatan mikro dan elektronik, tambahnya. 

Sementara itu, throughput teknik yang tinggi (r2rCLIP) memiliki implikasi langsung pada produksi perangkat mikro skala industri seperti robot mikro dan sistem pengiriman kargo. Hal ini khususnya mendukung produksi bahan keramik. 

Dengan memanfaatkan resin prakeramik untuk memproduksi partikel keramik teknis dalam skala besar, studi tersebut mengatakan, hal ini dapat diterapkan dalam sistem mikroelektromekanis, teknik planarisasi mekanis sebagai komponen bubur, dan partikel konduktif yang memungkinkan aplikasi industri seperti telekomunikasi dan perawatan kesehatan.

Menurut Dulay, seorang ilmuwan peneliti senior:

"Ada beragam aplikasi, dan kami baru mulai mengeksplorasinya. Kemajuan kami dalam teknik ini sungguh luar biasa."

Perusahaan yang Menggunakan Pendekatan Inovatif pada Manufaktur Aditif

Sekarang, mari kita lihat beberapa perusahaan yang memimpin dalam pencetakan 3D:

# 1. HP Inc.

Sebagai nama yang dikenal di industri percetakan tradisional, HP Inc. telah melakukan banyak langkah dalam pencetakan 3D, termasuk teknologi Multi Jet Fusion (MJF) yang dirancang untuk produksi industri. Teknologi ini menawarkan pencetakan 3D berkecepatan tinggi dan kemampuan untuk mengontrol properti setiap voxel. Jet Fusion perusahaan untuk produksi dan pembuatan prototipe industri ini melibatkan Seri 5600 untuk mengoptimalkan aplikasi demi produksi fleksibel pada skala 1, Seri 5400 untuk aplikasi putih berkualitas, Seri 5200 untuk menghasilkan produksi komponen 3D akhir bernilai tinggi, dan Seri 4200 untuk mengoptimalkan produktivitas dan biaya.

Minggu ini, HP berencana untuk memamerkan komponen cetak 3D yang memanfaatkan material barunya, PA 12 S, pada Konferensi Forum AM tahunan di Berlin. Material ini dibuat khusus untuk solusi polimer 3D perusahaan yang digunakan di berbagai industri dan menawarkan berbagai keunggulan seperti penghematan biaya dan estetika permukaan yang sangat baik.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $29.83 miliar, saham perusahaan diperdagangkan pada harga $30.66, naik 1.1% year-to-date (YTD). Perusahaan telah membukukan pendapatan (TTM) sebesar $53.1 miliar, EPS (TTM) sebesar 3.41, dan P/E (TTM) sebesar 8.91. Perusahaan membayar imbal hasil dividen sebesar 3.62%..

# 2. Wujudkan NV

Perusahaan yang berbasis di Belgia ini menawarkan berbagai layanan pencetakan 3D, termasuk pencetakan logam dan polimer. Perusahaan ini terkenal karena keahliannya di sektor perawatan kesehatan, yang menggunakan pencetakan 3D untuk implan, panduan bedah, dan model anatomi. 

Akhir tahun lalu, Ricoh, perusahaan pencitraan dan elektronik asal Jepang, bermitra dengan Materialise untuk menghadirkan pencetakan 3D point-of-care ke rumah sakit-rumah sakit di AS, yang akan memungkinkan produksi model anatomi anatomi pasien. Bulan lalu, Materialise meluncurkan perawatan sendi temporomandibular (TMJ) cetak 3D yang dipersonalisasi.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $293.56 juta, saham perusahaan diperdagangkan pada harga $5.36, turun lebih dari 24% YTD. Perusahaan telah membukukan pendapatan (TTM) sebesar $278.69 juta, EPS (TTM) sebesar 0.13, dan P/E (TTM) sebesar 39.57.

Baru-baru ini, perusahaan mengumumkan hasil keuangannya untuk Q4 dan keseluruhan tahun 2023, di mana pendapatannya masing-masing meningkat sebesar 4.1% menjadi €65.3 juta dan 10.4% menjadi €256.1 juta, meskipun terdapat “kondisi makroekonomi dan geopolitik yang bergejolak.”

Materialize juga melaporkan €128 juta dalam bentuk tunai dan setara kas, yang menurut CEO Brigitte de Vet-Veithen, bersama dengan pembiayaan tambahan yang diperoleh, menjadikannya “posisi yang baik” untuk terus menawarkan solusi produk dan perangkat lunak 3D yang inovatif.

Kesimpulan

Seperti yang kami sebutkan di atas, pencetakan 3D memiliki beberapa manfaat besar di beberapa industri, termasuk medis, otomotif, dirgantara, barang konsumsi, perhiasan, serta pertahanan dan militer. Meskipun rasa ingin tahu dan penggunaannya sudah meningkat, penerapannya akan semakin meningkat di tahun-tahun mendatang seiring dengan semakin banyaknya penelitian yang memungkinkan produksi objek dalam skala besar. Itu masa depan pencetakan 3D cukup cerah, menunjukkan janji untuk merevolusi manufaktur dan menciptakan masa depan yang lebih tangguh.