Материалы 3D-печати. Физик Федор Сенатов о видах 3D-принтеров, напечатанных домах и перспективах 3D-печати в медицине

Что такое композиционные материалы? Как значительно улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Исторически человечество использует два базовых подхода к созданию объектов. Первый — построение большого из маленького. Например, здание мы строим из кирпичиков. Второй подход — когда из чего-то большого мы удаляем лишнее, как скульптор отсекает все лишнее, и уже создаем конечный объект. Эти две группы технологий можно назвать аддитивной технологией, когда мы слой за слоем добавляем, чтобы создать конечный объект, и субтрактивной технологией, когда мы, наоборот, удаляем что-то, чтобы создать конечный объект.

Всем известная 3D-печать — это частный случай аддитивных технологий. В названии кроется смысл всей печати — это трехмерная печать, то есть по трем измерениям — длине, высоте и ширине — строится объект. Это как обычный принтер, который печатает, но не на бумаге, а из плоскости уже выращивает какой-то объем.

Концепция 3D-печати начала складываться еще в 1980-е годы, когда стали появляться фрезерные станки с ЧПУ, когда уже не человек стоит за станком и манипулирует поворотом фрезы, а сам станок понимает, в какие координаты ему нужно прийти. Настоящий бум 3D-печати возник только сейчас, в последние пятнадцать лет. Это можно связывать с тем, что 3D-принтеры стали более коммерчески доступными. К тому же стали активно развиваться компьютерные технологии, с помощью которых мы можем строить 3D-модели. 3D-модель — это набор координат, точек. Это называется G-код, представляющий собой набор координат и заданные скорости, с которыми печатающая головка принтера начинает вырисовывать деталь.

Существуют различные виды 3D-принтеров. Сейчас наиболее коммерчески доступные принтеры — те, что печатают за счет послойного наплавления материала. Это FDM-метод. Он заключается в том, что в печатающую часть принтера можно помещать, например, полимерную нить. Термопластичная нить начинает нагреваться, расплавляться, и из сопла принтера выходит тоненькая струйка, и объем этой струи уже задан самим принтером. Полимер начинает слой за слоем намазываться на поверхность. Вырастает деталь из термопластичного полимера.

Можно использовать не только полимерные материалы. Есть принтеры, которые печатают целыми металлическими проволоками, но смысл здесь похож: надо как-то расплавить материал, чтобы его можно было наносить слой за слоем на поверхность. Плюсы такой печати в том, что она достаточно дешевая и быстрая. Минус — точность, потому что все зависит от того, насколько мало растекается полимер при выдавливании из сопла 3D-принтера и насколько в принципе широкое сопло принтера. Есть некие технологические ограничения, после которых, если очень маленькое сопло, из него не будет выдавливаться полимер. Еще один плюс таких принтеров в том, что можно самому в лаборатории готовить индивидуально нить, подбирать нужные составы, делать композиционные материалы.

В последнее время активно развиваются электропроводящие материалы. Можно в полимеры вроде полилактида вводить электропроводящие наполнители, углеродные нанотрубки, графен и из них уже печатать различные носимые устройства. Например, браслеты для умных часов, умные датчики, датчиков сердцебиения.

Более промышленно успешный вариант 3D-принтеров — это принтеры, которые работают по методу лазерного сплавления порошка. Можно наносить слой порошка на подложку и с помощью лазера вырисовывать деталь: там, где лазер прошел, полимерные либо металлические частицы начинают сплавляться. Плюс способа заключается в том, что можно делать детали с большой точностью. Но минус и препятствие для внедрения изделий, напечатанных на таких 3D-принтерах, в том, что остается остаточная пористость. Когда частицы сплавляются, есть небольшие поры, и они существенно влияют на прочность. Но с этим уже научились бороться: надо подбирать специальную геометрию порошка, подбирать мощность лазера, учитывается много других параметров. Уже даже в авиационной отрасли есть отдельные концепты, когда эта технология применяется.

Еще один метод — это метод фотополимеризации. Можно наносить не порошок на поверхность подложки, а жидкий неполимеризованный материал, а потом его уже фотополимеризовать под действием, например, ультрафиолета. Это позволяет достичь высокой точности печати, но не все материалы можно использовать. Например, термопластичные материалы, которых очень много, нельзя печатать таким методом.

Один из последних и наиболее удачных видов 3D-принтеров — это принтеры, печатающие по двухфотонному методу. Смысл очень похож на фотопечать, только засвечивается не верхняя область жидкого материала, а пространство в объеме материала. Таким образом можно с высокой точностью печатать маленькие объекты. Сейчас демонстративно на таких принтерах печатали целые фигурки в ушке от иглы — например, печатали микроразмерную гоночную машину. Минус метода в том, что он достаточно медленный и печатает маленькие объемы.

Самый первый метод, о котором я говорил, — метод послойного наплавления, его можно масштабировать, в том числе для печати целых домов. Начиная с 2016 года различные компании изготавливали масштабные промышленные принтеры. С помощью бетона с использованием этих принтеров можно печатать целые дома за 24 часа. Стоимость такого дома будет достаточно низкой. Постепенно такие установки выходят на промышленное применение. Можно также комбинировать методы. Например, использовать методы 3D-печати с более классическими методами обработки материала. В последнее время развивается метод 3D-печати с наложенным магнитным полем. Если есть какие-то магнитные частицы в 3D-печатаемом материале, то можно за счет магнитного поля их заставлять ориентироваться и создавать анизотропные материалы по своим характеристикам.

Еще один важный метод заключается в совмещении аддитивных и субтрактивных технологий. Не все материалы можно печатать. Есть хороший, очень высокопрочный полимер, который называется «сверхвысокомолекулярный полиэтилен», но его нельзя применять для 3D-печати, потому что вязкость его расплава крайне высока, и изделия не сплавляются, если применять классические методы 3D-печати. Но можно, например, делать слепки, маски, негативы с каких-то изделий, которые мы хотим напечатать, либо сразу делать 3D-модель в виде негатива и этот негатив печатать из обычного материала. А потом этот негатив смешивать с порошком этого сверхвысокомолекулярного полиэтилена и применять уже классические методы горячего прессования. В конечном итоге остается позитив в виде финального изделия.

Для медицины 3D-печать — важнейшее направление, потому что она открывает возможности персонализированной медицины. Очень часто возникает ситуация, когда у человека отсутствуют конечности или костные ткани, и надо их восстановить, но восстановить стандартными методами остеосинтеза, когда вставляются титановые пластины либо штыри, невозможно. Зато можно восстанавливать кости с помощью специально сделанных для этого человека имплантатов. Нужно провести сканирование нужной области с помощью компьютерной томографии, создать 3D-модель и после печатать целые органы. Причем с помощью 3D-печати можно повторять мелкие рисунки и даже поры, трабекулы с большим разрешением.

Печатать кости можно различными материалами, в том числе и такими, которые могут химически повторять структуру костной ткани. Костная ткань состоит из коллагена и гидроксиапатита — это кальций-фосфатное соединение. Можно брать эти химические соединения, их различные вариации и вводить в биорезорбируемые материалы, таким образом печатать протезы, которые постепенно разлагаются в организме человека и восстанавливают костную ткань. Причем это можно делать сразу под конкретного человека.

Отдельное направление в медицине — создание клеточно-инженерных тканей и инженерных конструкций. С помощью 3D-принтера можно выращивать специальные каркасы — скаффолды, которые повторяют структуру будущего органа либо костной ткани. Можно брать мезенхимальные стромальные клетки у пациента из костного мозга и в пробирке заселять ими такой напечатанный каркас. Через 10–14 дней получается клеточно-инженерная конструкция, то есть каркас, оброщенный клетками пациента. Потом этот каркас с клетками пациента имплантируют пациенту. Это существенно ускоряет интеграцию материала с организмом человека, потому что в материале уже присутствуют клетки.

Следующий подход заключается в том, что скаффолд не in vitro обрастает клетками, а помещается человеку под кожу — например, можно печатать каркас уха и поместить под кожу. Под кожей он обращивается соединительной тканью, инжектируется кровеносными сосудами. Потом из кожи надо удалять это ухо и имплантировать человеку, получается конструкция с нарощенными тканями. Следующий важный момент в развитии печати для медицины — это 3D-биопринтинг. Можно печатать не искусственными материалами и даже не материалами, содержащими компоненты костной ткани, а печатать целыми клеточными культурами. То есть можно брать сфероиды, в которых содержатся клетки, их с помощью 3D-принтера выкладывать в виде будущего органа и в специальных условиях выдерживать. Клетки начинают делиться, потом дифференцироваться и выполнять определенную функцию будущего органа. Это крайне сложная область, потому что сложно заставить клетки функционировать так, как нужно. Тем не менее частная российская компания уже несколько лет назад напечатала маленькую щитовидную железу для мышей и показала, что эта щитовидная железа функционирует. Можно ожидать, что лет через пятнадцать можно будет печатать целые органы человека.

Последние пять лет развивается 4D-печать. Честно говоря, очень не люблю это название: напоминает 15D-кинотеатры. Смысл в том, что это обычная 3D-печать, но используются материалы с памятью формы. То есть с помощью 3D-печати можно изготовить изделие, и это изделие может изменить свою форму через какое-то время под воздействием, например, температуры. Таким образом печатаются оригами-структуры, которые вначале после 3D-печати выглядят как лист, но в определенный момент времени начинают складываться в конструкцию.

Таким образом печатались саморазворачивающиеся или самособирающиеся контейнеры. Пока это громоздкие макрообъекты. Но смысл в том, что можно печатать маленькие капсулы, которые в нужный момент времени могут разворачиваться и выпускать лекарственное вещество, если такие капсулы были помещены в организм человека. Потенциально этот подход хотели использовать для лечения некоторых онкологических заболеваний, чтобы помещать такие капсулы в кровоток либо непосредственно к опухоли и в нужный момент времени заставлять изменять свою геометрию.