הדפסת תלת־ממד עוברת שלב – ממבנים סטטיים לחומרים מתפקדים: טכנולוגיה חדשה מאפשרת לעצב את ההתנהגות המכאנית של האובייקט כבר בזמן ההדפסה.
בעולם שבו ההדפסה בתלת־ממד הפכה כבר מזמן לחלק בלתי נפרד ממעבדות המחקר ומהמפעלים הרפואיים, נדמה שההתקדמות האחרונה של אוניברסיטת טקסס באוסטין מצליחה להחזיר את תחושת ההתרגשות הראשונית. צוות חוקרים מהפקולטה למדעי החומרים וההנדסה באוניברסיטה חשף טכנולוגיית הדפסה חדשה שמאפשרת לייצר באותו תהליך הדפסה יחיד מבנים המשלבים אזורים גמישים ואזורים קשיחים – ממש כמו רקמות בגוף האדם.
הפיתוח, שפורסם בכתב העת Nature Materials, מתבסס על רזין נוזלי חדשני ומערכת הארה כפולה (Dual-Light System). האור הסגול מפעיל תגובה כימית שיוצרת אזורים רכים ואלסטיים, בעוד קרינת ה־UV החזקה יותר מייצבת חלקים אחרים והופכת אותם לקשיחים. התוצאה: אובייקט אחד שמכיל בו זמנית תכונות מכניות שונות – ללא צורך בחיבור רכיבים נפרדים או תהליכי עיבוד נוספים.
מכונות שמבינות גמישות
עד כה, אחת הבעיות הגדולות בהדפסה תלת־ממדית של מוצרים רפואיים הייתה הפער בין החומר לבין הגוף. הדפסה באמצעות חומרים קשיחים מתאימה לפרוטזות או מבנים חיצוניים, אך אינה מאפשרת תנועה טבעית או התאמה לרקמות רכות. החומרים הגמישים, לעומת זאת, סובלים לרוב ממגבלות דיוק, חוזק ועמידות לאורך זמן.
הטכנולוגיה החדשה מנסה לשלב את היתרונות של שני העולמות. “אנחנו מייצרים חלקים שמתנהגים כמעט כמו רקמות ביולוגיות”, מסבירים החוקרים. “זהו צעד חשוב לקראת ייצור של שתלים, התקנים לבישים או אלקטרוניקה מתיחה – כזו שנעה ומתעגלת יחד עם הגוף”.
החוקרים השתמשו במערכת הקרנה מבוקרת שמאפשרת לכוון את סוג האור לכל אזור בהדפסה. באמצעות שינוי באורך הגל ובעוצמת הקרן, ניתן לקבוע אילו אזורים יישארו רכים וגמישים ואילו יתקשו. הגישה הזו יוצרת למעשה “אדריכלות חכמה של חומר” – שבה התכונה אינה נקבעת על ידי סוג החומר בלבד, אלא על ידי אופן החשיפה שלו לאור.
מהמעבדה אל חדר הניתוח
ההשלכות הרפואיות של ההתקדמות הזו רחבות במיוחד. הדפסה מדויקת של שתלים או פרוטזות מותאמות אישית כבר קיימת בשנים האחרונות, אך כעת ניתן יהיה לייצר התקנים שמחקים את ההתנהגות הפיזית של איברים אנושיים – למשל מפרקים מלאכותיים, גידים תומכים או אלקטרודות שמולבשות ישירות על העור ונעות יחד עם השרירים.
היכולת לשלוט בגמישות בתוך חלק בודד תאפשר גם לפתח אלקטרוניקה רפואית מתיחה (Stretchable Electronics), תחום הולך ומתפתח שבו חיישנים דקים נצמדים לגוף ומנטרים מדדים פיזיולוגיים לאורך זמן. כיום רוב המוצרים האלו דורשים שכבות דבק, בידוד ואריזה – אבל אם ניתן יהיה להדפיס את החומר עצמו עם גמישות מובנית, ייתכן שהשלב הבא יהיה הדפסה ישירה של התקן לביש על גבי העור.
הדור הבא של החומרים החכמים
הפיתוח של טקסס משתלב בגל עולמי של מחקרים בתחום החומרים הפונקציונליים – אותם חומרים שמגיבים לאור, לחום, ללחץ או למתח חשמלי. בעולם ההדפסה התעשייתית זהו תחום שמכונה Functional Additive Manufacturing, והוא מאפשר מעבר מ“הדפסת צורה” ל“הדפסת תפקוד”.
בין הדוגמאות הבולטות מהשנה האחרונה ניתן לציין את הדפסות הקרמיקה התעשייתיות של חברת Lithoz, ואת הפרויקטים של MIT ו־Virginia Tech בתחום הגומי והלטקס המודפסים. במקביל, חברות רפואיות כמו Medtronic ו־Boston Scientific כבר בוחנות כיצד לשלב הדפסות גמישות בתהליכי ייצור של אלקטרודות, לבבות מלאכותיים ושסתומים.
במובן הזה, ההישג של UT Austin מייצג יותר מפריצת דרך מדעית – הוא מסמן את הכיוון שאליו צועדת כל התעשייה: ייצור מותאם אישית, מבוזר, ביולוגי יותר, שמבין שהחומר צריך להיות חלק מהמערכת ולא רק מעטפת פיזית שלה.
אתגרים בדרך להדפסה רפואית מושלמת
עם זאת, לפני שהטכנולוגיה תמצא את דרכה לשוק, יש עוד לא מעט אתגרים.
התאמה ביולוגית (Biocompatibility) היא כמובן הדרישה הראשונה – על החומרים להיות בטוחים לשימוש ממושך בתוך הגוף, עמידים לנוזלים ביולוגיים ולחום, ולא לגרום לתגובה דלקתית.
עמידות מכנית היא דרישה נוספת: המעברים בין אזורים גמישים לנוקשים עלולים להוות נקודות כשל לאורך זמן. החוקרים כבר בוחנים נוסחאות נוספות של רזין שיכולות להאריך את חיי החומר ולמנוע סדקים.
בעיה נוספת היא יכולת ייצור בקנה מידה תעשייתי. כיום ההדפסות נעשות במעבדות קטנות בתנאים מבוקרים, אך כדי להביא את השיטה למכשור רפואי אמיתי נדרש ציוד מדויק מאוד, בקרה איכותית והוכחות קליניות ארוכות טווח.
הדפסה חכמה – לא רק לרפואה
למרות המיקוד הרפואי, ההשלכות של טכנולוגיה כזו חורגות הרבה מעבר לתחום הבריאות. אלקטרוניקה גמישה, למשל, כבר הופכת לאחד הטרנדים המרכזיים בעולם המכשירים הלבישים. דמיינו טלפונים, צגים או אוזניות שמתכופפים בלי להישבר – כל אלה נשענים על חומרים היברידיים שמדמים את עקרון ה“קשיח-גמיש” של החוקרים מטקסס.
בתעשייה האווירית והאוטומוטיבית, השילוב בין גמישות לחוזק יכול להוביל לרכיבים קלים יותר ובטוחים יותר. חלקי פנים של רכבים, גופי תאורה או מבני תמיכה יכולים להדפס באותה שיטה כדי לשלב בידוד רך לצד חיזוקים נוקשים. גם כאן, היתרון הוא ייצור חלק בודד – חכם, חסכוני וקל לתחזוקה.
עתיד שנבנה באור
הטכנולוגיה החדשה מדגימה כיצד הדפסה תלת־ממדית ממשיכה להתפתח מעבר למימד של צורה – אל תחום שבו החומר עצמו מתוכנת להתנהג באופן דינמי.
היכולת לשלוט בתכונות החומר בזמן אמת, תוך כדי ההדפסה, פותחת אפשרויות עצומות לעיצוב, לרפואה ולתעשייה.
כפי שאומר אחד החוקרים בכתבה: “אנחנו לא רק מדפיסים חפצים – אנחנו מדפיסים תכונות”. במשפט הזה מסתתרת אולי ההגדרה המדויקת ביותר של עידן ההדפסה התעשייתית החדש.
מקור
University of Texas at Austin – “3D Printing Breakthrough Paves Way for Next-Gen Medical Devices and Stretchable Electronics”
