Gli inchiostri ricavati da diverse tipologie di materiali, applicati con precisione, stanno ampliando enormemente la famiglia di oggetti che possono essere stampati.
di Ted Greenwald
A prescindere dall’entusiasmo generato dalla stampa 3-D, le sue capacità rimangono alquanto limitate. Può essere utilizzato per realizzare forme complesse, ma quasi sempre in plastica. Persino i costruttori che impiegano una versione avanzata della tecnologia, conosciuta come manifattura per addizione, dispongono appena di qualche lega metallica in più. Cosa succederebbe, però, se le stampanti 3-D potessero utilizzare un vasto assortimento di materiali differenti, dalle cellule viventi ai semiconduttori, mescolando e combinando con precisione i vari inchiostri?
Jennifer Lewis, una scienziata dei materiali dell’Università di Harvard, sta sviluppando la chimica e i macchinari per rendere tutto ciò possibile. Riesce a stampare “da cima a fondo” oggetti dalla forma complessa, aggiungendo con precisione materiali utili per le loro proprietà meccaniche, la conduttività elettrica o i tratti ottici. Questo significa che la tecnologia della stampa 3-D potrebbe portare a oggetti che percepiscono e rispondono al loro ambiente. “L’integrazione di forma e funzione”, dice, “è la prossima grande cosa che deve succedere nella stampa 3-D”.
Esercizio di stile: Per esibire la propria capacità di realizzare stampe 3-D multimateriali, il laaboratorio di Jennifer Lewis ha stampato un reticolo complesso utilizzando inchiostri differenti.Un gruppo della Princeton University ha stampato un orecchio bionico, combinando tessuto biologico e componenti elettroniche (vedi “Parti cibernetiche”), mentre un team di ricercatori dell’Università di Cambridge ha stampato cellule retiniche per formare complessi tessuti oculari. Nonostante questi impressionanti sforzi per estendere le potenzialità della stampa 3-D, il laboratorio della Lewis spicca per la gamma di materiali e la tipologia di oggetti che riesce a stampare.
L’anno scorso, Lewis e i suoi studenti hanno mostrato di poter stampare elettrodi microscopici e altre componenti necessarie per realizzare minuscole batterie agli ioni di litio (vedi “Batterie stampate“).
Altri progetti includono sensori stampati su pezze di plastica che gli atleti potrebbero un giorno indossare per rilevare commozioni cerebrali e misurare impatti violenti. Più recentemente, il gruppo della Lewis ha stampato del tessuto biologico intrecciato con una complessa rete di vasi sanguigni. Per riuscirvi, i ricercatori hanno dovuto realizzare gli inchiostri utilizzando varie tipologie di cellule e i materiali che avrebbero servito da matrice di supporto. Il lavoro affronta uno dei problemi che ostacolano la creazione di organi artificiali per il collaudo di farmaci o, un giorno, la sostituzione di organi malati: come creare un sistema vascolare per mantenere le cellule in vita.
In un laboratorio seminterrato a poche centinaia di metri dall’ufficio della Lewis, il suo gruppo tiene sott’occhio con un microscopio una stampante 3-D capace di stampare con precisione strutture con caratteristiche delle dimensioni di un micrometro (i globuli rossi di un essere umano hanno un diametro di all’incirca 10 micrometri). Un’altra stampante più grande, che utilizza ugelli di stampa dotati di uscite multiple attraverso le quali stampare inchiostri diversi allo stesso tempo, riesce a fabbricare in pochi minuti un campione delle dimensioni di un metro e dotato della microstruttura desiderata.
Il segreto di questa creazione sta negli inchiostri dotati di proprietà grazie alle quali possono essere stampati durante lo stesso processo produttivo. Ciascun inchiostro è composto da un materiale differente, ma tutti possono essere stampati a temperatura ambiente. Le varie tipologie di materiali presentano sfide differenti, le cellule, ad esempio, dono delicate e vengono facilmente distrutte nel passaggio forzato attraverso gli ugelli. In tutti i casi, però, gli inchiostri vanno formulati in maniera tale da poter essere iniettati in pressione sotto forma liquida e mantenere la loro forma una volta posizionati – provate a pensare al dentifricio, dice la Lewis.
Prima di giungere ad Harvard dall’Università dell’Illinois a Urbana,Champaign l’anno scorso, la Lewis aveva trascorso più di un decennio a sviluppare ceramiche, nanoparticelle metalliche, polimeri ed altri materiali non biologici. Quando ha allestito il suo nuovo laboratorio ad Harvard e ha cominciato a lavorare con le cellule biologiche e i tessuti per la prima volta, sperava di trattarle come i materiali compositi delle particelle sintetiche. Questa idea era ingenua, ammette oggi. La stampa di vasi sanguigni ha costituito un passo incoraggiante verso tessuti artificiali capaci di svolgere le complesse funzioni biologiche che si trovano negli organi. Lavorare con le cellule si è scoperto essere “veramente complesso”, ha detto, “e abbiamo ancora tanti passaggi da coprire prima di riuscire a stampare un fegato o un rene perfettamente funzionante. Per il momento abbiamo fatto un primo passo avanti in quella direzione”.
