3D

Aug 17, 2023

doctorat Candidat en science et ingénierie des matériaux, Université de Floride

Professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial, Université de Floride

Les auteurs ne travaillent pas, ne consultent pas, ne détiennent pas d’actions ni ne reçoivent de financement d’une entreprise ou d’une organisation qui bénéficierait de cet article, et n’ont divulgué aucune affiliation pertinente au-delà de leur nomination universitaire.

L'Université de Floride fournit un financement en tant que partenaire fondateur de The Conversation US.

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Une nouvelle technique d'impression 3D utilisant du silicone peut créer des modèles précis des vaisseaux sanguins de votre cerveau, permettant aux neurochirurgiens de s'entraîner avec des simulations plus réalistes avant d'opérer, selon nos recherches récemment publiées.

De nombreux neurochirurgiens pratiquent chaque intervention chirurgicale avant d'entrer dans la salle d'opération, en se basant sur des modèles de leurs connaissances du cerveau du patient. Mais les modèles actuels utilisés par les neurochirurgiens pour la formation n’imitent pas bien les vrais vaisseaux sanguins. Ils fournissent un retour tactile irréaliste, manquent de détails structurels petits mais importants et excluent souvent des composants anatomiques entiers qui déterminent la manière dont chaque procédure sera réalisée. Des répliques réalistes et personnalisées du cerveau des patients lors de simulations préopératoires pourraient réduire les erreurs dans les procédures chirurgicales réelles.

L’impression 3D, cependant, pourrait permettre de réaliser des répliques offrant le toucher doux et la précision structurelle dont les chirurgiens ont besoin.

L’impression 3D est généralement considérée comme un processus qui consiste à déposer couche après couche de plastique fondu qui se solidifie au fur et à mesure de la construction d’une structure autoportante. Malheureusement, de nombreux matériaux souples ne fondent pas et ne se resolidifient pas comme le font les filaments plastiques que les imprimantes 3D utilisent généralement. Les utilisateurs n’ont qu’une seule chance avec des matériaux souples comme le silicone : ils doivent être imprimés à l’état liquide puis solidifiés de manière irréversible.

Comment créer une forme 3D complexe à partir d’un liquide sans se retrouver avec une flaque d’eau ou une goutte affaissée ?

Les chercheurs ont développé à cette fin une approche large appelée impression 3D intégrée. Avec cette technique, « l'encre » est déposée à l'intérieur d'un bain d'un deuxième matériau support conçu pour circuler autour de la buse d'impression et emprisonner l'encre à l'endroit juste après le déplacement de la buse. Cela permet aux utilisateurs de créer des formes complexes à partir de liquides en les maintenant emprisonnés dans un espace tridimensionnel jusqu'au moment de solidifier la structure imprimée. L’impression 3D embarquée s’est avérée efficace pour structurer une variété de matériaux mous comme les hydrogels, les microparticules et même les cellules vivantes.

Cependant, l’impression avec du silicone reste un défi. Le silicone liquide est une huile, alors que la plupart des matériaux de support sont à base d'eau. Le pétrole et l’eau ont une tension interfaciale élevée, ce qui explique pourquoi les gouttelettes d’huile prennent des formes circulaires dans l’eau. Cette force provoque également la déformation des structures en silicone imprimées en 3D, même dans un support.

Pire encore, ces forces interfaciales poussent les éléments en silicone de petit diamètre à se briser en gouttelettes lors de leur impression. De nombreuses recherches ont été consacrées à la fabrication de matériaux en silicone pouvant être imprimés sans support, mais ces lourdes modifications modifient également les propriétés qui intéressent les utilisateurs, comme la douceur et l'élasticité du silicone.

En tant que chercheurs travaillant à l’interface de la physique de la matière molle, du génie mécanique et de la science des matériaux, nous avons décidé de nous attaquer au problème de la tension interfaciale en développant un matériau de support à base d’huile de silicone.

Nous avons estimé que la plupart des encres silicone seraient chimiquement similaires à notre matériau de support en silicone, réduisant ainsi considérablement la tension interfaciale, mais également suffisamment différentes pour rester séparées une fois assemblées pour l'impression 3D. Nous avons créé de nombreux matériaux de support candidats, mais avons constaté que la meilleure approche consistait à réaliser une émulsion dense d'huile de silicone et d'eau. On peut y penser comme une mayonnaise cristalline, fabriquée à partir de microgouttelettes d’eau emballées dans un continuum d’huile de silicone. Nous appelons cette méthode fabrication additive à tension interfaciale ultra-faible, ou AMULIT.