Nanotinta para impresoras 3D

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, es más versátil y eficiente que la fundición. Agrega un material con precisión, a menudo en geometrías complejas, con mucho menos desperdicio. La adición de nanomateriales como los nanotubos de carbono (CNT), grafeno, nanopartículas metálicas y puntos cuánticos permite a los materiales impresos en 3D adaptarse a los estímulos externos, dándoles características especiales vinculadas con la resistencia, la conductancia eléctrica y térmica y el magnetismo entre otras. En el artículo Additive manufacturing of conductive and high-strength epoxy-nanoclay-carbon nanotube composites publicado en la revista Additive Manufacturing investigadores de la Michigan Technological University explican la síntesis de tintas compuestas imprimibles en 3D preparadas mediante la incorporación de nanoarcilla y diferentes concentraciones de nanotubos de carbono ( 0,25, 0,5 y 1% en volumen o 0,43, 0,86 y 1,7% en peso) en resina epoxi; la cual constituye una excelente base para materiales compuestos estructurales.

Crédito: Masoud Kasraie y col. Additive Manufacturing

Los nanotubos de carbono son un relleno excepcional debido a sus propiedades y funciona- lidades únicas. Las estructuras conductoras de nanocompuestos epoxi-nanoarcilla-CNT se fabri- caron mediante impresión 3D de escritura directa. El material es muy prometedor debido a sus muchas funcionalidades. La conductividad obtenida con la tinta de nanomaterial es un rasgo excepcionalmente útil, le confiere el potencial de funcionar como cableado eléctrico, ya sea ​​en una placa de circuito, en el ala de un avión o en actuadores impresos en 3D para guiar catéteres en los vasos sanguíneos. Otro rasgo útil de la tinta de epoxi-nanoarcilla-CNT es su fuerza. Comparado con el acero y el aluminio, observaron una reducción de peso del 80% manteniendo la misma resistencia. En el campo médico, en la industria aeroespacial y en la electrónica, donde los defectos y los daños pueden representar un gran problema, los nanocompuestos cumplen una función de seguridad. Cuando algo se rompe, una pequeña grieta comienza a partir de un defecto a microescala y progresa hasta la ruptura de toda la estructura. Las características de nanocompuestos crean puentes en esas grietas y no las dejan crecer. Este es uno de los mecanismos a través del cual los nanotubos de carbono aumentan la resistencia mecánica del material. La relación propiedad-peso, conductividad eléctrica, mayor resistencia y facilidad de aplicación son solo algunas de las muchas razones prometedoras por las cuales las tintas de polímero-nanocompuesto probablemente reemplacen a los productos epoxis tradicionales.

Información Complementaria: Additive manufacturing of conductive and high-strength epoxy-nanoclay-carbon nanotube composites

Células vivas impresas para producir etanol.

Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), publicaron el artículo Direct Writing of Tunable Living Inks for Bioprocess Intensification en la revista Nano Letters, en el cual explican la utilización de células vivas impresas en 3D para convertir la glucosa en etanol y dióxido de carbono; una tecnología capaz de conducir a una alta  eficiencia  biocatalítica. 

Crédito: Lawrence Livermore National Laboratory

La bioimpresión de células de mamíferos vivos en complejos andamios 3D ha sido ampliamente estudiada y demostrada para aplicaciones que van desde la regeneración de tejidos hasta el descubrimiento de fármacos y la implementación clínica. Además de las células de mamíferos, existe un interés creciente en la impresión de microorganismos funcionales como biocatalizadores. Los microorganismos se utilizan ampliamente en la industria para convertir las fuentes de carbono en productos químicos valiosos para productos finales con aplicaciones en la industria alimentaria, la producción de biocombustibles, el tratamiento de residuos y la biorremediación. El uso de microbios vivos en lugar de catalizadores inorgánicos tiene ventajas por su autoregeneración, bajo costo y especificidad catalítica. El equipo imprimió células de levadura biocatalíticas vivas liofilizadas (Saccharomyces cerevisiae) en estructuras porosas 3-D. Las geometrías de ingeniería únicas permitieron a las células convertir la glucosa en etanol y CO₂ de manera muy eficiente. La nueva biotinta genera estructuras impresas autosuficientes, con alta resolución, densidades de células ajustables, a gran escala, alta actividad catalítica y viabilidad a largo plazo. Más importante aún, si se usan células de levadura modificadas genéticamente, también se pueden producir productos farmacéuticos, químicos, alimentos y biocombustibles de gran valor.  Las geometrías 3D impresas biológicamente desarrolladas en el citado trabajo podrían servir como una plataforma versátil de procesos de bioconversión para la producción de productos de alto valor o aplicaciones de biorremediación. Esta tecnología proporciona control sobre la densidad celular, la colocación y la estructura en un material vivo. La capacidad de ajustar estas propiedades se puede utilizar para mejorar las tasas de producción y los rendimientos. Esta es la primera utilización de la impresión 3D de células vivas inmovilizadas para crear reactores químicos. El enfoque promete hacer que la producción de etanol sea más rápida, barata, limpia y  eficiente. 

Información complementaria:

Direct Writing of Tunable Living Inks for Bioprocess Intensification.

Hongos nanobiónicos producen electricidad.

Investigadores del Stevens Institute of Technology (EE.UU)  tomaron un champiñón blanco y lo hicieron nanobiónico, sobrealimentándolo con grupos de cianobacterias impresas en 3D que generan electricidad recogida mediante nanocintas de grafeno. El artículo relacionado “Bacterial Nanobionics via 3D Printing” se publicó en la edición del 7 de noviembre del 2018 en la revista científica Nano Letters.

Crédito: Sudeep Joshi. Stevens Institute of Technology

Tal vez pueda sonar como algo mágico, pero los híbridos son parte de un esfuerzo profundo por tratar de mejorar nuestra comprensión de la maquinaria biológica de las células y cómo utilizar esas intrincadas estructuras para fabricar  nuevas tecnologías y sistemas útiles para solucionar problemáticas ambientales, entre otras. El conjunto del sistema biónico funcional es completamente nuevo al integrar cianobacterias capces de producir electricidad, con materiales a nanoescala capaces de recolectar la corriente, Los hongos sirven esencialmente como un sustrato ambiental adecuado con funcionalidad avanzada para "nutrir" la energía  producida por las cianobacterias. Los investigadores utilizaron una impresora 3D para imprimir primero una "tinta electrónica" constituida por nanocintas de grafeno. 

Crédito: Stevens Institute of Technology

Luego, imprimieron en forma espiralada sobre la superficie de la seta con una "tinta biológica", constituida por cianobacterias, muchos puntos de contacto con la tinta electrónica. En estos lugares, los electrones pueden transferirse a través de las membranas externas de las bacterias a la red conductora de grafeno. Al iluminar los hongos se activa la fotosíntesis generando las bacterias  fotocorriente. El citado trabajo abre  enormes oportunidades para variadas aplicaciones bio-híbridas de próxima generación. Por ejemplo, algunas bacterias pueden brillar, mientras otras detectan toxinas o producen combustible. Al integrar a la perfección estos microbios con los nanomateriales, podríamos realizar muchos otros asombrosos biohíbridos de diseño destinados a dar respuestas a las crecientes demandas socioeconómicas y al cuidado ambiental del planeta. 

Lectura complementaria:
Bacterial Nanobionics via 3D Printing.

Imprimir en 3D a 500 mm/s con nanodiamantes.

La firma Finlandesa Carbodeon (2006)  acaba de lanzar el hilo (o a granel) para impresoras 3D denominado  uDiamonnt; un material nanoestructurado que combina el polímero  poliláctico PLA, reciclable y biodegradable, con partículas de nanodiamantes. Los nanodiamantes fueron descubiertos en Rusia en 1963,  son nanopartículas artificiales de diamante obtenidas a partir de carbono por explosiones, mediante bombardeo, o por  ultrasonicación de una suspensión de grafito en solventes  orgánicos a presión atmosférica y temperatura ambiente.

Fuente: Universidad de ITMO

El hilo es compatible con las boquillas estándar y adecuado para su uso con impresoras 3D comerciales . De hecho, las partículas esféricas de nanodiamantes actúan como un lubricante y su dispersión a lo largo del PLA mejora la conductividad térmica, la rigidez y produce alta resistencia.  Las pruebas con el hilo permitieron lograr velocidades de impresión de hasta 500 mm/s y la  adición de los nanodiamantes mejora en un 200% la performance de impresión 3D en comparación con el hilo de  PLA sin nanoaditivos comercializable en el mercado. La tendencia es adicionar a un polímero base, nano-objetos, con la finalidad de obtener hilos para impresiones 3D con las propiedades fisicoquímicas deseadas.

Lectura complementaria.

Carbodeon.

Impresión 3D con bacterias vivas.

Un equipo de investigación de la ETH Zürich (Escuela Politécnica Federal de Zúrich) dirigido por el Profesor André Studart, Jefe del Laboratorio de Materiales Complejos, ha presentado una nueva plataforma de impresión 3D que funciona utilizando materia viva. Los investigadores desarrollaron una tinta con bacterias para imprimir minifábricas bioquímicas con ciertas propiedades, según la especie de bacteria que los científicos selecciones. Utilizaron las bacterias Pseudomonas putida y Acetobacter xylinum en su trabajo. La primera puede descomponer el fenol químico tóxico, que se produce a gran

escala en la industria química, mientras que la segunda secreta nanocelulosa de alta pureza. Esta nanocelulosa bacteriana alivia el dolor, retiene la humedad y es estable, lo que abre posibles aplicaciones en el tratamiento de quemaduras. La nueva plataforma de impresión ofrece numerosas combinaciones potenciales. 

En una sola pasada, los científicos pueden usar hasta cuatro tintas diferentes con especies

de bacterias distintas y/o en variadas concentraciones para producir objetos con múltiples propiedades. La estructura de la tinta está formada por un hidrogel biocompatible. El hidrogel en sí está compuesto de ácido hialurónico, moléculas de azúcar de cadena larga y sílice pirogénica. El medio de cultivo para la bacteria se mezcla en la tinta de modo que la bacteria tenga todos los requisitos previos necesarios para la vida. Usando este hidrogel como base, se pueden agregar bacterias con el "rango de propiedades" deseado para  imprimir la estructura tridimensional requerida. 
A corto plazo tal vez sea muy poco lo que no se pueda producir con la impresión 3D. 

Lectura complementaria:
3D printing of bacteria into functional complex materials

“Biotinta” de células madre para hacer tejidos con impresoras 3D.

En los últimos años el uso de una simple tecnología de inyección de tinta para la impresión de células ha provocado un tremendo interés en la biofabricación. Un equipo de investigadores de la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo y del Roslin Biocentre del Reino Unido, en el artículo “ Developement of a valve-based printer cell for the formation of human enbryonic stem cell spheroid aggregates" explican como  llevaron a cabo una impresión 3D con células madre embrionarias, puntapié inicial para  producir en poco tiempo tejidos humanos. Es la primera vez que utilizando suspensiones de células madre como si fueran biotinta se  imprimen de forma controlada estructuras tridimensionales en las cuales el 99% de las células permanecieron vivas. La metodología es lo suficientemente precisa como para producir micro-tejidos 3D. Las células impresas mantienen su potencia y  la capacidad de diferenciarse en cualquier otro tipo de células en nuestro cuerpo. Esta diferenciación se produce cuando las células madre se combinan con células nacientes de órganos específicos que emiten señales químicas para transformarlas en el tipo celular del tejido huésped. Tras la primera impresión 3D con células madre, posiblemente en los próximos 2-3 años, se podrán producir tejidos humanos y construir órganos individuales para trasplantes. Relativamente pronto podremos imprimir grupos de estas células para "programarlas" y que se conviertan en los órganos necesarios pasa  acabar con la problemática de la donación de órganos. También se podrán producir distintos tejidos para la fabricación de  variados biofármacos. Seguramente la impresión 3D se convertirá en una tecnología central en las biofábricas del futuro.
Lectura complementaria:
Biofábrica transgénica.