IMPRESION EN TERCERA DIMENSION 3D

>>  lunes, 13 de agosto de 2012

Ciencia en tres dimensiones: La revolución de la imprenta
http://www.nature.com/ 04/07/2012
Christoph Zollikofer fue testigo del primer nacimiento de un hombre de Neandertal en la era moderna. En su laboratorio de antropología en la Universidad de Zurich, Suiza, en 2007, el cráneo de un bebé Homo neanderthalensis surgió de una máquina fotocopiadora de tamaño después de un parto de 20 horas, ruidoso, pero sin dolor de los motores de zumbido y escupiendo plástico. Este milagro moderno había sufrido una larga gestación: se necesitaban años para los colaboradores de Zollikofer para encontrar los huesos adecuados a partir de un recién nacido hombre de Neandertal, analizarlos con un computarizada, tomografía computarizada (TC), de punto digital todas en la pantalla del ordenador. La mano de obra, sin embargo, era simple: Zollikofer acaba de presionar 'imprimir' en dólares EE.UU. de su laboratorio de 50.000 en tres dimensiones (3D) de la impresora.

Un pionero en el uso de la impresión 3D para la investigación, Zollikofer comenzó hace 20 años con un prototipo que fue materiales tóxicos aún más costosos y necesarios y solventes - limitaciones que alejan a la mayoría de los científicos. Pero ahora, más reciente, abaratamiento de la tecnología se está imponiendo. Así como una impresora de inyección de tinta aerosoles en una línea por línea la página, muchos modernos dispositivos de pulverización de material 3D - por lo general de plástico - capa por capa sobre una superficie, la construcción de una forma. Otros fusionar capas sólidas de una tina de plástico líquido o en polvo, a menudo utilizando la luz ultravioleta o infrarroja.Cualquier forma compleja pueden ser impresos, a veces con la ayuda de andamiaje temporal que posteriormente se disuelve o erosionado. En estos días, los kits personales van por tan poco como $ 500, dice Terry Wohlers, consultor y analista de mercado con sede en Fort Collins, Colorado - a pesar de los sistemas industriales cuestan un promedio de 73.000 dólares. El año pasado, dice, casi 30.000 impresoras se han vendido en todo el mundo, con instituciones académicas de compra de un tercio de las personas en el rango de precio de US $ 15.000-30.000.

Los primeros en adoptar están utilizando la tecnología para investigar moléculas complejas, la moda herramientas personalizadas de laboratorio, la cuota de objetos raros e incluso imprimir el tejido cardíaco que late como un corazón. En las conferencias de la paleontología y la antropología, más y más personas están llevando a las impresiones de sus favoritos o de los huesos fósiles. "Cualquiera que piense de sí mismos como un antropólogo necesita los gráficos de computadora adecuados y una impresora 3D. De lo contrario, es como ser un genetista, sin un secuenciador ", dice Zollikofer.

Las impresiones están dando ideas que no son posibles con los métodos más convencionales. Fósiles de Neanderthal recién nacidos, por ejemplo, son extremadamente raros, por lo que Zollikofer no quería correr el riesgo de copiar su modelo frágil, con los habituales de fundición de yeso métodos. Con la impresión, sin embargo, Zollikofer podría estudiar la logística de los nacimientos de Neanderthal. Junto con el cráneo recién nacido, que imprime una pelvis adulto, femenino y de Neandertal, literalmente, escenifica una entrega. Algunos investigadores han especulado que las caderas anchas del Neanderthal hace el trabajo más fácil de lo que es para los seres humanos modernos, pero el experimento Zollikofer puso de manifiesto que los cráneos más grandes de los recién nacidos neandertales contrarrestar esa ventaja ( MS Ponce de León et al .Proc. Natl. Acad. EE.UU. 105 , 13764 - 13768 , 2008 ). Al igual que los seres humanos hoy en día, los neandertales tenían las cabezas más grandes - y el cerebro - posibles al nacer, dándoles un salto de inicio en el desarrollo.

En su trabajo, los canjes de Zollikofer de ida y vuelta entre los modelos de impresos y virtuales. Los modelos informáticos son buenos para el cálculo de volúmenes o juntando los fragmentos de hueso - los investigadores pueden colocar en el espacio sin gravedad haciendo que se caiga. Sin embargo, con los modelos virtuales, dice, "se pierde la sensación del tacto, e incluso una idea del tamaño de los fósiles". Los modelos físicos son mucho mejor para ver cómo las piezas deben encajar en el primer lugar, añade.
Parque Molecular

Los químicos y los biólogos moleculares han utilizado durante mucho tiempo modelos para tener una idea de las estructuras moleculares y dar sentido a los rayos X y datos de cristalografía. Basta con mirar a James Watson y Francis Crick, quien en 1953 hizo el descubrimiento fundamental de la estructura del ADN con la ayuda de una construcción destartalada de las bolas y palos.


Las impresiones de los cráneos de Neanderthal de un niño (izquierda) y el recién nacido una.
M. PONCE DE LEON / C. ZOLLIKOFER / UNIV.ZURICH
En estos días, la impresión 3D se utiliza para burlarse de los sistemas mucho más complejos, dice Arthur Olson, fundador de la estructura molecular del laboratorio de gráficos en el Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, California, hace 30 años. Estos incluyen entornos moleculares compuestas de miles de proteínas que interactúan, lo que sería onerosa-a-imposible hacer de otra manera. Con las impresoras 3D, Olson dice, "cualquiera puede hacer un modelo personalizado". Pero no todo el mundo hace: muchos investigadores no tienen fácil acceso a una impresora, no son conscientes de la opción o no pueden pagar las impresiones (que puede costar $ 100 o más).

Sin embargo, Olson dice que estos modelos pueden aportar pistas importantes. Cuando se imprime una proteína de un colega, se encontraron con una curvilínea "túnel" de espacio vacío corriendo a través de él. El conducto no se podía ver claramente en la pantalla del ordenador, pero una bocanada de aire soplado en un lado del modelo surgido de la otra. La determinación de la longitud de los túneles de este tipo puede ayudar a los investigadores a averiguar si, y cómo, las moléculas de transporte de canales. Hacer eso en el equipo habría requerido un código nuevo, con un modelo, un poco de cuerda hizo el truco.

Software que permite a los investigadores girar y girar estas estructuras en una pantalla de computadora es muy útil, dice Olson, pero insuficientes. Incluso el software más avanzado permitirá que dos átomos ocupan el mismo espacio. Y jugar con la moléculas dentro de una computadora es una rutina - se necesita tiempo para que el equipo vuelva a representar un objeto después de cada turno, y la interpretación de las imágenes requiere un esfuerzo mental. Jugueteando con un modelo físico, por otro lado, es más como un juego. "Yo no tengo que pensar en ello, lo hago", dice Olson.

Olson está tratando de fusionar las ventajas táctiles de la impresión 3D, con potencia de los ordenadores: se ha marcado los modelos de impresos con etiquetas de papel pequeñas que pueden ser reconocidos por una cámara web, para crear un punto de vista «realidad aumentada».De esta manera, un usuario puede jugar con un modelo físico, mientras que al mismo tiempo usando el equipo para explorar aspectos tales como la energía potencial de una disposición molecular dado. Olson también está ansioso por utilizar impresoras que es más fácil cambiar entre materiales rígidos y flexible, con el fin de reproducir mejor el comportamiento molecular, como el plegamiento de proteínas.

La matriz celular

'Tintas' de la impresora no se limitan a plástico. Los biólogos han estado experimentando con la impresión de las células humanas - ya sea individualmente o en varias celdas manchas - que se funden de forma natural. Estas técnicas se han producido con éxito vasos sanguíneos y golpeando el tejido del corazón. El último sueño de imprimir los órganos de trabajo es todavía un largo camino por fuera - si resulta posible en absoluto. Pero en el corto plazo, los investigadores ven un potencial para la impresión de las estructuras 3D de células mucho más la vida-como que los típicos planos que crecen en una placa de Petri.

Por ejemplo, Organovo, una empresa con sede en San Diego, California, ha desarrollado una impresora 3D para construir estructuras de tejidos que podrían ser utilizados para probar los productos farmacéuticos. El modelo más avanzado que ha creado hasta ahora es para la fibrosis: un exceso de tejido fibroso duro y marcar con una cicatriz que surge de las interacciones entre las células de un órgano interno y su capa externa. Siguiente paso de la compañía será para probar medicamentos en este sistema. "Podría ser el caso de que la impresión en 3D no es la única manera de hacer esto, pero es una buena manera", dice Keith Murphy, un ingeniero químico y director ejecutivo de Organovo.

Otros grupos están utilizando la impresión en 3D de plástico o de colágeno para la construcción de andamios en los que las células pueden crecer. Carl Simon, un biólogo del grupo de biomateriales en el Instituto Nacional de EE.UU. de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Maryland, dice que las complejidades de la forma de andamiaje puede ayudar a determinar cómo las células crecen, o cómo las células madre se diferencien en tipos celulares diferentes. Con la impresión 3D, los investigadores tienen una manera muy controlada para jugar con diferentes configuraciones de los andamios para ver cuál funciona mejor. Uno de los problemas, sin embargo, es que la mayoría de las impresoras 3D pueden producir detalles sobre la escala de sólo unas decenas hasta cientos de micrómetros, mientras que las diferencias las células sensoriales en el ámbito de una sola micra.Impresoras de alta calidad en la actualidad puede alcanzar el 100 nanómetros de resolución mediante el uso de ráfagas de láser muy cortos para curar los plásticos, dice Neil Hopkinson, un ingeniero que trabaja con la impresión en 3D en la Universidad de Sheffield, Reino Unido, pero esto es "todavía muy en el laboratorio ".
Las herramientas personalizadas

Mientras tanto, las impresoras 3D de plástico básicos están empezando a permitir a los investigadores para noquear a herramientas personalizadas. Leroy Cronin, un químico de la Universidad de Glasgow, Reino Unido, acaparó los titulares este año con su invención del "reactionware '- impresas vasos de plástico para la química de pequeña escala ( MD Symes et al .Naturaleza Química. 4 , 349 - 354 , 2012 ) . Cronin sustituye las tintas de los de una impresora $ 2.000 comercialmente disponible con sellador ducha a base de silicona, un catalizador y reactivos, por lo que la reacción de toda montajes podría ser impreso. El punto, dice, es hacer que la química personalizable ampliamente accesible. Su trabajo demostró cómo reactionware podría ser aprovechada para producir nuevos productos químicos o para hacer pequeñas cantidades de productos farmacéuticos específicos en la demanda. Por el momento, otros químicos ver la idea como un truco ingenioso, y están esperando a ver qué aplicaciones se siguen.

Los investigadores en otros campos han encontrado un uso más inmediato para la tecnología.Philippe Baveye, un ingeniero ambiental en el Rensselaer Polytechnic Institute de Troy, Nueva York, usa la impresión 3D para hacer piezas a medida para un permeámetro, un dispositivo utilizado para medir el flujo de agua a través de los suelos. Aunque los dispositivos disponibles en el mercado están muy bien para el trabajo de rutina, que a menudo ha tenido que diseñar su propia para la investigación más precisa - una tarea que antes requería de muchas horas en un torno. Impresión, dice, es mucho más fácil.

Quizás lo más importante, Baveye puede compartir su producto sólo mediante la publicación del archivo de diseño. "La idea de ser capaz de reproducir los experimentos descritos en la literatura está adquiriendo un nuevo significado", dice.

Otros coinciden en que el poder real de la impresión en 3D reside en su capacidad de poner la ciencia en manos de la mayoría. Cronin quiere permitir que cualquier persona - ya sea en los rincones más lejanos de África o en el espacio exterior - para imprimir su propia fábrica de drogas pequeña. Museos ya se puede distribuir copias exactas de fósiles raros o delicados tan ampliamente como lo desean. Y los estudiantes pueden imprimir cualquier molécula que está tratando de luchar a brazo partido con el. "A través de la impresión en 3D", dice Olson, "la capacidad de hacer modelos físicos se ha democratizado".Naturaleza 487 , 22-23 (05 de julio 2012) doi : 10.1038/487022a

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