הכנת מבנים מורכבים ע”י אוריגאמי מודפס

למרות שהוא נראה קטן וצנוע, עגור האוריגאמי (קיפולי נייר יפניים) הזעיר המונח בצלחת דגימה במעבדתה של פרופסור Jennifer Lewis מאוניברסיטת אילינוי מבשר על שיטה חדשנית להכנת מבנים תלת-מימדיים מורכבים להתקנים ביו-רפואיים, מיקרו-פלואידיים ומיקרו-מערכות אחרות.

למרות שהוא נראה קטן וצנוע, עגור האוריגאמי (קיפולי נייר יפניים) הזעיר המונח בצלחת דגימה במעבדתה של פרופסור Jennifer Lewis מאוניברסיטת אילינוי מבשר על שיטה חדשנית להכנת מבנים תלת-מימדיים מורכבים להתקנים ביו-רפואיים, מיקרו-פלואידיים ומיקרו-מערכות אחרות. ציפור הטיטאנים, בגודל של מטבע, החלה את דרכה כיריעה מודפסת של דיו המורכב מהידריד הטיטאניום.

ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Advanced Materials.

מבנים זעירים ומורכבים, הבנויים ממתכות, חומרים קראמיים או פולימרים, משמשים למגוון יישומים, החל מהתקנים ביו-רפואיים ועד בניית אבי-טיפוס של רכיבים אלקטרוניים. אחת מהשיטות ליצירת מבנים שכאלו קרויה “הרכבה בחריטה ישירה” (direct-write assembly) שבה מדפסת גדולה מזריקה דיו המכיל חלקיקים מתכתיים, פולימריים או קראמיים ליצירת מבנה, שכבה על-גביי שכבה. בשלב הבא, המבנה עובר חישול בטמפרטורה גבוהה לשם נידוף הנוזל שבדיו וחיבור החלקיקים בינם לבין עצמם לקבלת עצמים מוצקים.

אולם, ככל שמוספות יותר ויותר שכבות, השכבות התחתונות נוטות לשקוע או אפילו לקרוס תחת המשקל המתגבר – בעיה שבה נתקלו חוקרים במהלך ניסיונותיהם להכין פיגומי טיטאניום להנדסת רקמות. אחד מהחוקרים ניסה גישה אחרת לחלוטין: להדפיס שכבה שטוחה ואז לגלגל אותה למבנה ספיראלי, או אפילו לקפלה למגוון צורות. קיפול היריעות המודפסות אינו משימה פשוטה, כפי שנראה ממבט ראשון.

“רוב חומרי הדיו שלנו מבוססים על הרכבים מימיים, כדי שיתייבשו במהירות. הם הופכים לקשיחים מאוד ועלולים להיסדק בזמן קיפולם,” אמרה החוקרת הראשית שהיא פרופסור למדעי והנדסת חומרים באוניברסיטת אילינוי. האתגר בשלב הבא היה למצוא תמיסה שתהפוך את השכבות המודפסות לגמישות מספיק כך שיהיה ניתן לקפל אותן, ועדיין יציבות מספיק בכדי לשמר את המבנה שלהן לאחר הקיפול והחישול.

צוות המחקר פתר את הבעיה ע”י חיקוי של אוריגאמי הנוצר בקיפול רטוב, שיטה שבה נייר מורטב באופן חלקי בכדי להגביר את גמישותו. באמצעות השימוש בתערובת ממסים, אחד המתייבש במהירות ושני המתייבש באיטיות, היריעות מתייבשות באופן חלקי ועדיין נותרות גמישות מספיק בכדי לאפשר את קיפולן תוך מספר שלבים – 15 שלבים במקרה של העגור.

אומר חוקר שותף, פרופסור David Dunand: “ידעתי כבר כיצד ניתן להפוך טיטאניום הידריד לטיטאניום מתכתי מבלי לזהם את הדיו, על בסיס מחקר קודם שנערך במעבדתי.” החוקר התמקד בדרך לחשל את מבני האוריגאמי הרכים של הידריד הטיטאניום לכדי עצמים קשיחים המורכבים מטיטאניום מתכתי.

החיבור של שיטות הדפסה לשיטות אוריגאמי רטוב מאפשר הכנת מבנים מורכבים יותר – כדוגמת כנפי עגורים בולטים, מאפיין שלא ניתן לייצרו בשיטת הדפסה ישירה לבדה. בנוסף, צוות המחקר הצליח להכין יריעות בעלות מגוון תבניות ובכך להוסיף דרגה נוספת למורכבות הבנייה.

“באמצעות חיבור שיטות אלו, ניתן להכין במהירות מבנים מורכבים מאוד שפשוט אינם אפשריים להכנה בשיטות ייצור קיימות אחרות,” מוסיפה החוקרת הראשית.

בשלב הבא, הצוות מקווה להרחיב את אוסף האוריגאמי להכללת מבנים גדולים וקטנים הרבה יותר, עם מגוון סוגי דיו. לדוגמא, ניתן להרחיב את השיטה למגוון מתכות וחומרים קראמיים אחרים החל מסגסוגות של פלדה, ניקל וקובלט ועד מתכות אצילות ועקשניות אחרות.

החוקרים מתכננים לחקור גם יישומים אפשריים של מבנים קלי-משקל, התקנים ביו-רפואיים, חיישנים ועוד.

“אנו באמת רק התחלנו לנצל את עוצמתה של שיטה זו,” מוסיפה החוקרת.

הידיעה באוניברסיטת אילינוי