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

کد مطلب: ۶۶۰۰۱
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 ۲زمینه بنیادی احتیاج به نوآوری دارد: ۱. طراحی فرمت سه بعدی و دیجیتال اشیا
۲. ساخت این طراحی سه بعدی با روی هم قرار دادن لایه‌های مواد

تاریخچه

نخستین ردپاها از ساخت افزایشی به دهه ۱۹۸۰ 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 ۱۹۸۴ 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 ۱۹۸۶ توسط کارل دکارد اختراع شد و در ۱۹۸۹ 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 ۱۹۹۰ 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

استفاده از ساخت افزایشی برای ساخت ایمپلنت‌های دندانی و پروتزها در دهه۱۹۹۰، 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 ۱۹۹۲ اولین ماشین SLA با استفاده از سیستم سه بعدی تولید شد. و در سال۱۹۹۹ 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 ۲۰۰۲ یک کلیه مینیاتوری دارای عملکرد ساخته شد. در سال ۲۰۰۳ کلمه‌ی “پرینت کردن ارگان” ساخته شد! درنتیجه دانشمندان به فکر ساخت ارگان‌های کامل بدون نیاز به داربست افتادند.
در سال ۲۰۰۸ 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 ۲۰۰۹ ارگانوو دیتاهای مربوط به اولین رگ‌های خونی تماما بایوپرینت شده را منتشر کرد! در نهایت در سال ۲۰۱۵ 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 ۳MF 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:

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 سال۲۰۱۵ 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:

۱. 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.

۲. 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.

۳. 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.

۴. 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.

۵. 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.

۶. 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:

1. رویکرد سطح آزاد (Bath configuration)
2. ۲. 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 سایت۳Dprinting industry

مقاله: ۳D printing in pharmaceutical sector