پرینت سه بعدی چیست؟! آشنایی با تاریخچه این ابزار مهم - هنام

کد مطلب: 66001
پرینت سه بعدی – که با عنوان ساخت افزایشی هم شناخته می‌شود – توسط فایننشال تایمز و منابع دیگر پدیده‌ای با پتانسیلی بزرگتر از اینترنت معرفی شده است!
برخی به درستی این خبر باور دارند. به باور برخی دیگر این تکنولوژی بسیار جذاب ولی درعین‌حال خطرناک است! اما پرینت سه بعدی چیست؟! چه نقشی در حوزه درمان ایفا خواهد کرد؟! با ما همراه باشید!

پرینت سه بعدی چیست؟

پرینت سه بعدی – یا ساخت افزایشی – فرآیند ساخت اشیا فیزیکی از یک فایل سه بعدی دیجیتال می‌باشد! این کار معمولا با روی هم قرار دادن لایه‌های نازک متوالی از مواد صورت می‌گیرد.
برای ساخت افزایشی یک شئ تکنیک‌های مختلفی وجود دارد! به این تکنیک‌ها در این مقاله و مقالات بعدی اشاره خواهیم کرد.
به صورت کلی ساخت افزایشی در 2زمینه بنیادی احتیاج به نوآوری دارد: 1. طراحی فرمت سه بعدی و دیجیتال اشیا
2. ساخت این طراحی سه بعدی با روی هم قرار دادن لایه‌های مواد

تاریخچه

تقویم زمانی تکامل پرینت سه بعدی

نخستین ردپاها از ساخت افزایشی به دهه 1980 برمی‌گردد. زمانی که مخترع ژاپنی هیدیو کوداما اولین پتنت تکنولوژی پروتوتایپینگ سریع را پر کرد. او محصولی را اختراع کرد که با لامپ‌های فرابنفش پلی‌مرها را سخت می‌کرد و به اشیا جامد شکل می‌داد! این سنگ بنای استریولیتوگرافی (SLA) بود.
چارلز هال در سال 1984 استریولیتوگرافی را اختراع کرد! فرآیندی که از تکنولوژی برای ساخت مدل‌های کوچکتر از اشیا قبل از ساختشان استفاده می‌کند! در نتیجه قبل از صرف پول و انرژی ساخت زیاد، قادر به تست اشیا هستیم ! در این فرآیند: شئ لایه به لایه پرینت می‌شود، توسط حلال شسته می‌شودو سپس با لامپ فرابنفش سخت می‌شود! در این پروسه از طراحی با کامپیوتر (CAD) برای ساخت مدل دیجیتالی استفاده می‌شود.

پرینت سه بعدی لیزری (SLS) نوع پیشرفته‌تری از پرینت سه بعدی می‌باشد که در سال 1986 توسط کارل دکارد اختراع شد و در 1989 پتنت گرفت! این روش از ساخت افزایشی و یک پلیمر پودری برای ساخت اشیا استفاده می‌کند! SLS از لیزر برای چسباندن لایه به لایه پودر استفاده می‌کند و اشیا پیچیده‌تری از SLA می‌سازد.

تاریخچه روش مدلسازی ته‌نشینی گداخته (FDM) به 1990 برمی‌گردد! این روش، ارائه شده توسط اسکات کرامپ، رایج‌ترین روش ساخت افزایشی می‌باشد! برای فرم‌دهی به شئ، پرینتر با گرما دادن به یک کابل ترموپلاستیک (پلاستیکی که با گرما دادن ذوب می‌شود و با سرد کردن بدون تغییر در کیفیت جامد می‌شود) آن را ذوب کرده و لایه لایه از قالب خارج می‌کند.

نکات برجسته از تاریخ پزشکی

تاریخچه پرینت سه بعدی در پرشکی

استفاده از ساخت افزایشی برای ساخت ایمپلنت‌های دندانی و پروتزها در دهه1990، اولین کاربرد ساخت افزایشی در پزشکی بود! به تدریج دانشمندان موفق به کشت ارگان از سلول‌های بیماران شدند و برای این‌کار از داربست‌های پرینت سه بعدی کمک گرفتند.

در سال 1992 اولین ماشین SLA با استفاده از سیستم سه بعدی تولید شد. و در سال1999 شاهد پتنت گرفتن لوک ماسلا برای اولین مثانه‌ی ساخته شده توسط پرینت سه بعدی بودیم! این مثانه آمالگامی از بایومتریال پرینت سه بعدی و سلول‌های لوک بود.
با پیشرفت بیشتر تکنولوژی، در سال 2002 یک کلیه مینیاتوری دارای عملکرد ساخته شد. در سال 2003 کلمه‌ی “پرینت کردن ارگان” ساخته شد! درنتیجه دانشمندان به فکر ساخت ارگان‌های کامل بدون نیاز به داربست افتادند.
در سال 2008 دانشمندان موفق به پرینت نخستین ساق پای پروتزی شدند! امروزه پرینترهای سه بعدی تکنولوژی رایج و ارزان قیمتی در بیمارستان‌های دنیا محسوب می‌شوند.
در سال 2009 ارگانوو دیتاهای مربوط به اولین رگ‌های خونی تماما بایوپرینت شده را منتشر کرد! در نهایت در سال 2015 سازمان غذا و داروی ایالات متحده امریکا اولین قرص پرینت سه بعدی را تایید کرد.

در همین رابطه در هنام بخوانید: معرفی فن‌آوری چاپ سه بعدی زیستی یا bio printing

مراحل فرآیند پرینت سه بعدی

در ابتدا یک طراحی مجازی سه بعدی از شئ ساخته می‌شود. برای طراحی سه بعدی می‌توان از نرم‌افزارهایی مثل onshape، solidworks، creo parametric، Autocad، Autodesk و… استفاده کرد.
این مدل دیجیتالی به فرمت فایل دیجیتالی (STL.) تبدیل می‌شود. (STL.) زبان استاندارد استریولیتوگرافی می‌باشد.
سطوح مثلثی اطلاعات سطوح مدل سه بعدی موجود در فایل (STL.) را به ما می‌دهد.
فایل (STD.) به فایل G تبدیل می‌شود. اینکار با تقسیم کردن طراحی به لایه‌های عرضی دوبعدی با کمک نرم‌افزار تخصصی تقسیم کننده که روی پرینتر سه بعدی نصب شده است صورت می‌گیرد.
حالا سر پرینت برای ساختن پایه‌ی شئ سه بعدی به مدار x-y برده می‌شود.
در این مرحله سر پرینت مجاز است به مدار Z برود. بدین شکل سر پرینت با روی‌هم قرار دادن لایه‌های متوالی از مواد مطلوب در نقاط مطلوب، شئ سه بعدی را کامل می‌کند.

اکثر تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی با فرمت (STL.) سازگار هستند. هنگام تبدیل فایل دیجیتالی به فرمت STL. احتمال بروز ارورهایی وجود دارد. نرم افزارهایی مثل (magic (materialise برای حل این ارورها استفاده می‌شوند. وقتی STL. اطلاعاتی مثل جنس ماده، رنگ ماده، بافت و دیگر ویژگی‌هایش را در اختیار ندارد از فرمت‌هایی مثل AMF و 3MF استفاده می‌کنیم.

انواع تکنولوژی‌ها در پرینت سه بعدی

در تمامی این تکنولوژی‌ها شاهد ساخت افزایشی و لایه‌به‌لایه هستیم. این تکنولوژی‌ها در جنس مواد انتخابی، پایداری و هزینه‌ها و زمان تولید باهم تفاوت دارند:

انواع تکنولوژی‌ها و مزایای آن‌ها — انواع تکنولوژی پرینت سه بعدی

استریولیتوگرافی (SLA): از لیزر برای سخت کردن مایع پلیمری و ساختن مدل سه بعدی دیجیتالی استفاده می‌شود.

پرینت سه بعدی لیزری (SLS): از فرآیندهای فتوشیمیایی استفاده می‌شود و پلی‌مرهای پودری با لیزر سخت می‌شوند.

مدلسازی ته‌نشینی گداخته (FDM): از فیلامنت ترموپلاستیک مایع برای شکل دهی به طرح استفاده می‌شود.

فرآیند نور دیجیتال (DLP): از پلیمر رزین مایع استفاده می‌شود که در مقابل منبع نوری سخت می‌شود.

مولتی جت فیوژن (MJF): ترکیبی از تکنولوژی‌های SLS و پلی جت

پلی جت: با اسپری کردن قطرات فوتوپلی‌مر و سخت کردن آن‌ها با لامپ UV به اشیا شکل می‌دهد.

ذوب مستقیم لیزری (DMLS): قسمت‌های فلزی را مستقیما از مدل کامپیوتری سه بعدی‌اش می‌سازد.

ذوب با پرتو الکترونی (EBM): مشابه SLS می‌باشد اما در اینجا منبع انرژی الکترون و ماده اولیه فلز می‌باشد.

انواع تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی در داروسازی

از سال2015 که اولین داروهای سه بعدی از FDA آمریکا تاییدیه گرفت تمایل به ساخت داروهای سه بعدی بیشتر شده است! روش‌های مختلفی برای پرینت دارو وجود دارد:

انواع تکنولوژی پرینت سه بعدی در داروسازی

1. روش مدلسازی ته‌نشینی گداخته (FDM)

لازمه این فرآیند انتخاب پلی‌مر مناسب می‌باشد. این پلی‌مر ذوب شده و از یک نازل داغ متحرک عبور می‌کند! پلی‌مر لایه به لایه در سه مدار x-y-z روی هم قرار می‌گیرد. با سرد شدن پلی‌مر، شکل دقیق طراحی کامپوتری ساخته خواهد شد.
اشکال چند دوزی مثل ایمپلنت‌ها و تبلت‌ها با پروفایل آزادسازی مرتبه صفر که در فرمولاسیونشان از پلی‌مر استفاده شده است می‌توانند با این روش ساخته شوند.

2. پرینت سه بعدی تزریق حرارتی (Thermal inject – TIJ)

شامل گرما دادن به جوهر مایع با کمک میکرو-رزیستور می‌شود! در نتیجه یک حباب از بخار تشکیل می‌شود که با کمک نیروی انبساط جوهر را به خارج نازل هدایت می‌کند.
این تکنیک می‌تواند در تبدیل فرمولاسیون‌های ساده به داربست‌های سه بعدی کمک کند.

3. پرینت تزریقی

این روش ساخت افزایشی بر پایه مواد پودری می‌باشد. در این روش از پودر به عنوان زیرلایه استفاده می‌شود و ترکیب مواد موثره و جوهرهای مختلف لایه به لایه روی آن اسپری می‌شوند. قطرات اسپری می‌توانند در اندازه‌های مختلفی باشند و در نتیجه کینتیک‌های متفاوتی داشته باشند.

4. پرینت سه بعدی Direct-wise

این روش دارای یک دستگاه هوشمند است که توانایی خواندن پترن‌های مختلف را دارد و طبق دستور کامپیوتر لایه‌هارا روی‌هم قرار می‌دهد! در نتیجه لایه‌ها با نظم خاصی چیده می‌شوند. با این روش قادر به تولید میکروساختارهای سه بعدی هستیم.

5. زیپ دوز

این تکنولوژی مواد فوق متخلخل تولید می‌کند. طی این روش ما قادر می‌شویم داروهایی با دوزهای شخصی‌سازی شده بسازیم. همچنین این روش داروهای دوز بالا با درجه انحلال و ازهم‌پاشیدگی بالا تولید می‌کند.

6. فوتو پلیمریزاسیون مخزنی

این روش پلیمریزاسیون به کمک نور می‌باشد که موادی مثل فوتوپلی‌مرها، رزین‌های پخت پذیر با تابش و مایعات در مخزنی جمع می‌شوند. سپس به صورت متوالی به لایه‌های مختلف پخته می‌شوند. در هر لحظه یک لایه با منبع نور تحت تابش قرار می‌گیرد در نتیجه یک پترن دوبعدی به دست می‌آید. در این روش از تکنیک‌هایی مثل SLA، فرآیند لامپ دیجیتالی (DLP) و فرآیند نور مستقیم متواتر (CDLP) استفاده می‌شود.
بسته به جهت‌گیری منبع نور و سطحی که پلیمریزاسیون رزین فعال نوری در آن رخ می‌دهد، SLA می‌تواند به دو شکل مختلف تقسیم شود:

رویکرد سطح آزاد (Bath configuration)
2. رویکرد سطح مقید (Bat configuration)

کلام پایانی

در دنیای امروز پرینت سه بعدی به پروتزهای ارزان قیمت، پروتوتایپینگ سریع، ساختن وسایل شخصی‌سازی شده، و تولید با کمترین میزان ضایعات معنا می‌دهد! این تکنولوژی بسیار کاربردی ا‌ست و با دردسترس بودن آن در این روزها، در آینده‌ای نزدیک حتی کاربردهای بیشتری هم پیدا می‌کند.
اما پرینت سه بعدی تا کجا پیشروی خواهد کرد؟! فواید این تکنولوژی چیست و چرا به این درجه از محبوبیت رسیده است؟! برای پاسخ به این سوالات با ما همراه باشید.

شتابدهنده دارویی هنام فارمد، آماده پذیرش طرح‌ها و ایده‌های استارتاپی شما در حوزه پرینت سه بعدی زیستی است. کافیست وارد وبسایت شده و ایده خود را ثبت کنید. از صفر راه اندازی استارتاپ تا صد رسیدن به درآمد و صادرات همراه شما هستیم.
شرکت شتابدهنده دارویی هنام فارمد

منابع

سایت me3d سایت all3dp سایت3Dprinting industry

مقاله: 3D printing in pharmaceutical sector

هنام | پایگاه خبری تحلیلی دارو و سلامتمجله خبری تحلیلی دارو و سلامت

استارتاپی که با نانوتکنولوژی، سرطان مثانه را شکست

تشخیص بیماری کرونا از طریق سرفه با هوش مصنوعی

هوش مصنوعی در بیوتکنولوژی چه می‌کند؟

پرینت سه بعدی و آینده صنعت داروسازی

تاپ ترین ایده های صنعت دارویی

مدیر دیجیتال مارکتینگ و تعیین استراتژی کسب وکار

مدل کسب و کار خلاقانه شرکت ها و استارتاپ های دارویی

کارشناس کنترل میکروبی و مانیتورینگ محیط ساخت دارو

هدایت شغلی | مدرپ یا نماینده علمی شرکت داروسازی

شرکت های مطرح در حوزه سلول درمانی

هدایت شغلی | چگونه یک کارشناس آنالیز کنترل کیفی شویم؟!

وضعیت بازار و استارتاپ‌های مطرح سلول درمانی

کارشناس فرمولاسیون و فیلینگ دارویی و تحقیق و توسعه

فرآورده‌‌های تاییدشده در حوزه سلول درمانی