หลายคนอาจจะทราบถึงประโยชน์ของการพิมพ์ 3 มิติในปัจจุบันกันมาบ้างแล้วว่าได้มีการพัฒนาไปไวมากสามารถนำไปใช้งานได้มากมายหลากหลายรูปแบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ และสามารถทำได้ด้วยวัสดุที่ไม่ธรรมดา เช่น เซลล์ ช็อกโกแลต และอื่นๆ อีกมากมาย แต่เคยคิดกันไหมถ้าเป็นวัสดุชีวภาพอย่างแบคทีเรียล่ะ จะเป็นอย่างไรน่ะ?
ล่าสุดในโครงการ นักวิจัยของ EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne AKA the Swiss Federal Institue of Technology Lausanne) ได้มีการวิจัย โดยบุกเบิกหมึกพิมพ์ 3 มิติที่มี Sporosarcina Pasteurii ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่เมื่อสัมผัสกับสารละลายที่มียูเรีย จะกระตุ้นกระบวนการทำให้เป็นแร่ธาตุที่ผลิตแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) ผลที่สุดคือนักวิจัยสามารถใช้หมึกของพวกเขาหรือที่เรียกว่า BactoInk เพื่อพิมพ์ 3 มิติในแทบทุกรูปทรง วัสดุชีวภาพที่ได้นั้นมีการใช้งานที่น่าสนใจมาก มีความแข็งแรง น้ำหนักเบา และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งจะค่อยๆ กลายเป็นแร่ธาตุในช่วงสองสามวัน เพื่อเป็นการค้นหาวิธีแก้ปัญหาสำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ในรูปแบบ biomimicry หรือ การเลียนแบบสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติ เป็นที่นิยมในการพิมพ์ 3 มิติ เนื่องจากช่วยให้สามารถปรับแต่งโครงสร้างต่างๆ
กระทั้งนักวิจัยสามารถผลิตวัสดุคอมโพสิต คือ วัสดุที่เกิดจากการนำวัสดุทางเคมี 2 ชนิดขึ้นไปมาประกอบกันจนได้คุณสมบัติที่ดีขึ้น (เปลี่ยนเป็นวัสดุชิ้นใหม่ที่มีคุณสมบัติเชิงบวกมากกว่าเดิม) ที่มีน้ำหนักเบาและแข็งแรง มีรูพรุนและแข็งไปพร้อม ๆ กัน (แทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะทำในห้องปฏิบัติการหรือโรงงาน) เช่น กับเปลือกหอยหรือกระดูก ท้ายที่สุดแล้วพวกเขาหวังว่าจะผลิตวัสดุที่มีคุณสมบัติเหล่านี้ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ตอนนี้ด้วยหมึกพิมพ์ 3 มิตินี้ พวกเขายิ่งใกล้ประสบความสำเร็จเข้าไปทุกที
สำหรับ “การพิมพ์ 3 มิติกำลังได้รับความสำคัญเพิ่มขึ้นโดยทั่วไป แต่จำนวนวัสดุที่สามารถพิมพ์ 3 มิติได้นั้นมีจำกัดด้วยเหตุผลง่ายๆ ที่หมึกต้องเป็นไปตามเงื่อนไขการไหลบางอย่าง” หัวหน้าห้องปฏิบัติการ Esther Amstad อธิบาย “ตัวอย่างเช่น พวกมันต้องทำตัวเหมือนของแข็งเมื่ออยู่เฉยๆ แต่ยังคงสามารถอัดออกมาได้ผ่านหัวฉีดการพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งเหมือนกับซอสมะเขือเทศ” Amstad อธิบายว่าก่อนหน้านี้มีการใช้หมึกพิมพ์ 3 มิติที่มีอนุภาคแร่ขนาดเล็กเพื่อให้เป็นไปตามเกณฑ์การไหลเหล่านี้ แต่โครงสร้างที่ได้มีแนวโน้มที่จะอ่อนตัวหรือหดตัวเมื่อแห้ง นำไปสู่การแตกร้าวและสูญเสียการควบคุมรูปร่างของ ผลิตภัณฑ์สุดท้าย
“ดังนั้นเราจึงคิดเคล็ดลับง่ายๆ ขึ้นมา: แทนที่จะพิมพ์แร่ธาตุ เราพิมพ์โพลีเมอร์โดยใช้ BactoInk ของเรา ซึ่งจากนั้นจะถูกทำให้เป็นแร่ธาตุในขั้นตอนที่สองโดยแยกจากกัน หลังจากผ่านไปประมาณสี่วัน กระบวนการทำให้เป็นแร่ธาตุที่ถูกกระตุ้นโดยแบคทีเรียจะนำไปสู่ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่มีปริมาณแร่ธาตุมากกว่า 90%” ผลลัพธ์ที่ได้คือคอมโพสิตชีวภาพที่แข็งแรงและยืดหยุ่น ซึ่งสามารถผลิตได้โดยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติมาตรฐานและวัสดุจากธรรมชาติ และไม่ต้องใช้อุณหภูมิที่สูงเกินไปสำหรับการผลิตเซรามิก ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายไม่มีแบคทีเรียที่มีชีวิตอีกต่อไป เนื่องจากพวกมันจะจมอยู่ในเอธานอลเมื่อสิ้นสุดกระบวนการทำให้เป็นแร่ วิธีการนี้้เป็นการอธิบายถึงหมึกพิมพ์ 3 มิติตัวแรกที่ใช้แบคทีเรียเพื่อกระตุ้นการเกิดแร่ เพิ่งได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Materials Today ( “การพิมพ์ 3 มิติของส่วนประกอบชีวภาพที่มีโครงสร้างที่มีชีวิต” )
ทั้งนี้แนวทางของ Soft Materials Lab มีการใช้งานที่เป็นไปได้หลายอย่างในหลากหลายสาขา ตั้งแต่ศิลปะและนิเวศวิทยาไปจนถึงชีวการแพทย์ Amstad เชื่อว่าการบูรณะงานศิลปะสามารถอำนวยความสะดวกอย่างมากด้วย BactoInk ซึ่งสามารถฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์หรือไซต์ของวัตถุได้โดยตรง เช่น รอยร้าวในแจกันหรือเศษในรูปปั้น เป็นต้น คุณสมบัติทางกลของหมึกช่วยให้มีความแข็งแรงและต้านทานการหดตัวที่จำเป็นต่อการซ่อมแซมงานศิลปะ
รวมทั้งป้องกันความเสียหายเพิ่มเติมในระหว่างกระบวนการบูรณะ วิธีการนี้ใช้วัสดุที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเท่านั้น และความสามารถในการผลิตคอมโพสิตชีวภาพที่มีแร่ธาตุยังทำให้วิธีนี้เป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มในการสร้างปะการังเทียม ซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อช่วยฟื้นฟูแนวปะการังใต้ท้องทะเลที่เสียหายได้ ประการสุดท้าย ข้อเท็จจริงที่ว่าโครงสร้างและคุณสมบัติเชิงกลของคอมโพสิตชีวภาพเลียนแบบกระดูกอาจทำให้สิ่งนี้น่าสนใจสำหรับการใช้งานด้านชีวการแพทย์ในอนาคต “ความเก่งกาจของการประมวลผลของ BactoInk เมื่อรวมกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำและคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยมของวัสดุที่มีแร่ ทำให้เกิดความเป็นไปได้ใหม่ๆ มากมายสำหรับการผลิตวัสดุคอมโพสิตที่มีน้ำหนักเบาและรับน้ำหนักได้ ซึ่งมีความคล้ายคลึงกับวัสดุธรรมชาติมากกว่าวัสดุคอมโพสิตสังเคราะห์ในปัจจุบัน” อัมสตัดกล่าว
จากผลการพัฒนาในครั้งนี้เราอาจจะเห็นได้ว่า ในอนาคตนวัตกรรมรูปแบบใหม่นี้อาจสร้างสรรค์สิ่งที่น่าทึ่งกว่าการแค่จำลอง หรือทดแทนวัสดุทั่วไปแท่านั้น แต่ถ้าเกิดนำมาพัฒนาร่วมกับการแพทย์อาจสร้างสิ่งที่ช่วยเราจากกระดูกหัก หรือทดแทนกระดูกที่เสียหาย ยับยั้งการผุกร่อนเสื่อมสภาพก็เป็นได้
ข้อมูล : Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne , 3dnatives , nanowerk , techxplore