La fabrication additive (FA) a révolutionné de nombreuses industries et promet d’en affecter bien d’autres dans un avenir pas trop lointain. Alors que les gens connaissent mieux les imprimantes 3D qui fonctionnent comme des imprimantes à jet d’encre, un autre type de FA offre des avantages en utilisant une approche différente : construire des objets avec de la lumière une couche à la fois.
L’une de ces technologies est le traitement numérique de la lumière (DLP). Largement utilisé dans les applications industrielles et dentaires, le DLP fonctionne en convertissant une résine liquide en une pièce solide en utilisant la lumière, en retirant essentiellement les objets solides d’un bassin peu profond de résine, une couche à la fois.
Cependant, l’un des défis majeurs liés à l’utilisation de cette méthode d’impression 3D est que les résines doivent avoir une faible viscosité, presque comme l’eau, pour fonctionner correctement à haute résolution. De nombreux polymères qui seraient autrement utiles dans l’impression DLP sont solides ou trop visqueux, ce qui nécessite des solvants pour les diluer jusqu’à obtenir une consistance appropriée.
Mais l’ajout de ces solvants entraîne également des inconvénients importants, comme une mauvaise précision dimensionnelle après l’impression en raison du retrait des pièces (jusqu’à 30 %) associé à une contrainte résiduelle qui se produit lorsque le solvant s’évapore.
Dans un papier publié dans Angewandte Chemie International Editiondes chercheurs de l’Université Duke ont inventé un nouveau polymère sans solvant pour l’impression DLP. En plus d’éliminer le problème de retrait, l’absence de solvant améliore également les propriétés mécaniques de la pièce tout en conservant sa capacité à se dégrader dans le corps.
« Je voulais créer un matériau intrinsèquement fin et à faible viscosité que le DLP pourrait utiliser pour les dispositifs médicaux dégradables », a déclaré Maddiy Segal, titulaire d’un doctorat en MEMS. candidat travaillant dans le laboratoire de Matthew Becker, professeur émérite de chimie Hugo L. Blomquist à Duke. « Cela a demandé de nombreuses tentatives, mais j’ai finalement réussi à identifier les monomères optimaux et une technique de synthèse pour créer un polymère sans solvant pouvant être utilisé dans une imprimante DLP sans aucune dilution. »
Étant donné que le nouveau matériau est l’une des premières résines sans solvant pouvant être utilisée dans l’impression DLP, Segal souhaitait tester les propriétés des pièces fabriquées avec ce nouveau matériau. Elle était ravie de découvrir que les pièces testées ne rétrécissaient ni ne se déformaient du tout et qu’en général, elles étaient également plus résistantes et plus durables que celles fabriquées avec des solvants. Selon ses conclusions, il s’agit de l’une des premières démonstrations empiriques de propriétés mécaniques accrues résultant de l’élimination de l’utilisation de solvants dans l’impression 3D DLP de polymères dégradables.
Pour créer son nouveau polymère, Segal a analysé la structure et les propriétés des résines existantes développées par le Becker Lab et d’autres et a modifié les monomères et la longueur de la chaîne dans une approche empirique étape par étape pour obtenir les polymères à faible viscosité souhaités. Elle a essentiellement utilisé une approche « deviner et vérifier », ajustant les monomères ou « recettes » du polymère jusqu’à ce qu’elle trouve une combinaison qui fonctionne.
Le processus n’est pas tout à fait différent de la préparation d’un repas. Cela implique de mélanger des combinaisons spécifiques d’ingrédients, de les chauffer, puis de tester les résultats jusqu’à obtenir le résultat souhaité. Au total, Segal a expérimenté environ 60 combinaisons différentes avant de finalement fabriquer le produit qu’elle espérait.
« En plus de fabriquer un matériau qui ne rétrécit pas et qui soit plus résistant, je voulais également qu’il soit utile pour des applications médicales », a déclaré Segal. « J’essaie de fabriquer des prototypes d’appareils à la fois biocompatibles et dégradables. L’élimination des solvants toxiques du processus m’aidera à y parvenir. »
L’objectif ultime de Segal avec ce travail est d’appliquer cette technique aux implants médicaux biodégradables. Certains matériaux utilisés aujourd’hui pour fabriquer des implants médicaux temporaires ne sont pas dégradables et nécessitent plusieurs interventions chirurgicales non seulement pour les implanter, mais également pour les retirer. Grâce à ses recherches, Segal vise à développer des implants qui peuvent être dégradés par les processus naturels du corps.
Les dispositifs fabriqués à partir de ce matériau pourraient être implantés et conçus pour se dégrader naturellement au fil du temps, éliminant ainsi le besoin d’interventions chirurgicales supplémentaires pour retirer le dispositif. Il pourrait également être utilisé comme adhésif osseux pour maintenir temporairement les fractures ensemble ou dans des applications de robotique douce, où un matériau souple et dégradable est nécessaire.
« Ce type de matériel est ce qui fait de cette application particulière l’objectif principal de mon travail », a déclaré Segal. « Et en réalité, cette technique pourrait être utilisée pour n’importe quel type d’implant que l’on voudrait dégrader après un certain temps et ne pas y rester éternellement. »
Plus d’informations :
Maddison I. Segal et al, Synthèse et impression 3D DLP sans solvant de poly(allylglycidyl éther succinate), Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202414016