Upload
others
View
15
Download
5
Embed Size (px)
Citation preview
Diktat
Pemilihan Bahan dan Proses IV
BIOMIMETIK, BIOMATERIAL, TEKNOLOGI
MANUFAKTUR PRINTING 3D
Prof. Dr. Tjokorda Gde Tirta Nindha, ST, MT
Nip:197201161998031004
Teknik Mesin
Universitas Udayana
2017
DAFTAR ISI
Bagian IX
Biomimetik(Biomimetics)................................................................................................... 579
BiomimetikadanBahanTerinspirasiBiologis ........................................................... 579
Bagian X
Biomaterial ........................................................................................................................ 620
StrategiPenggantianTulangdanJaringanAugmentasi (Strategies for Bone Replacement
and Tissue Augmentation ....................................................................................... 621
Material ImplandanStrukturnya (Implant Materials andStructures) ........................ 642
RekayasaPerancahJaringandan Material Perancah
(TissueEngineering Scaffolds and Scaffold Materials) ................................................... 673
Bagian XI
PemrosesanBahan Modern danFabrikasi: Teknologi
Manufaktur Printing danAditif 3D
(Advanced Materials Processing andFabrication:
3D Printing and Additive Manufacturing Technologies) ..................................................... 682
FotolitografiTerapanSirkuitTerpadu (IC) Mikrofabrikasi
(Photolithography Applied to Integrated Circuit (IC) Microfabrication) ................. 683
Pencetakan 3D :AlatCetakElektronik (3D Printing: PrintedElectronics) ................. 691
Bioprinting danBiofabrikasi Organ ......................................................................... 710
Proses teknoligi prototype: Solid Freeform Fabrication
(solidRapid prototyping Technologies: Solid Freeform Fabrication) ...................... 721
Pabrikasi Digital denganElektronikTertanam
(Digital Fabrication withEmbedded Electronics) .................................................... 736
PencetakanStrukturBaru(Novel Structure Printing) ................................................. 741
TeknologiPeleburanMenggunakanSinar Laser dan Electron .................................... 747
Ilmu Material 3D dan Multidimensional
(3D and MultidimensionalMaterials Science) ......................................................... 769
Additive Manufacturing: MengubahAturanManufaktur
(AdditiveManufacturing: Changing the Rules of Manufacturing) ............................ 773
�
����
�
Biomimetika dan Bahan Terinspirasi Biologis
Isi
Pendahuluan: Strategi Desain dan Optimasi Bahan yang Terinspirasi dari Bio................ 579
Sistem Material dan Material Terinspirasi Secara Biologis (Bionik) di zaman purbakala: Armor and Flight................................................................................................................ 579
Lampiran Biologis dan Adhesi: Perekat Kering Velcro dan Hewan Terinspirasi ............. 582
Organisme Light-Emitting (Bioluminescent) .................................................................... 584
Struktur Foton dan Sistem Fungsional yang Berhubungan ............................................... 588
Komposit Keratin-Karet dan Contoh Biocomposites lainnya............................................ 596
Sistem Branched dan Struktur Fraktal ............................................................................... 597
Desain Biomimetik Antarmuka Komposit......................................................................... 601
Pabrik Protein dan Konsep Terkait .................................................................................... 610
Abstrak
Alam menyediakan beragam bahan biologis dan sistem material yang telah mengilhami
inovasi dalam aplikasi baru dan perkembangan bahan baru. Ini termasuk armor alami
(hewan), sistem penerbangan yang terinspirasi tentu saja oleh burung, pengencang dan
pelekatan, dan susunan struktur fotonik. Mikroba yang memproduksi komposit metana dan
komposit keratin-karet memunculkan sistem baru beserta sistem biologis bercabang yang
meliputi pohon, paru-paru, struktur peredaran darah, dan sejenisnya, yang diatur oleh
geometri fraktal. Konsep pabrik protein ditinjau kembali di bab ini dimana sistem virus dan bakteri dapat bertindak sebagai pabrik protein untuk menghasilkan rangkaian obat yang
kompleks dan bahan organik dan sistem yang fungsional.
�
����
�
Pendahuluan: Strategi Desain dan Optimasi Bahan yang Terinspirasi dari Bio
Pada tahun 1960an, seorang periset Angkatan Udara AS, Jack Steele, menciptakan kata
"bionik" untuk merujuk pada penyalinan alam atau pengembangan gagasan dari alam. Baru-
baru ini, konsep umum inovasi yang terinspirasi oleh alam telah berubah secara dinamis biomimikri atau biomimetik, istilah yang diciptakan oleh Otto Steele pada tahun 1969.
Biomimikri (dari bios, yang berarti kehidupan, dan mimesis, yang berarti meniru)
menggambarkan perkembangan alami dan kemudian meniru spesies tersebut. desain, proses,
dan sistem untuk memecahkan masalah dengan beberapa manfaat bagi manusia Benyus 1997.
Biomimetik melibatkan meniru atau mensintesis bahan alami dan sistem biologi atau
organisme dengan desain praktis dan pembuatan biomaterial atau teknologi yang terinspirasi
secara biologis (Bar-Cohen 2006). Organisme alam telah menghadapi banyak tantangan yang
dihadapi manusia atau masyarakat manusia, namun mereka menghadapi tantangan seperti itu dengan seleksi dan evolusi alam, sebuah proses pengoptimalan jangka panjang yang
seringkali membutuhkan (atau melibatkan) jutaan tahun. Hal ini tentunya menguntungkan
untuk memanfaatkan proses pengoptimalan alam dan menyesuaikannya dengan kebutuhan
manusia saat ini atau tantangan dalam inovasi bahan
Manusia purba mengamati alam dan fenomena alam dan mereplikasinya atau menyesuaikannya dengan keuntungan mereka dalam banyak hal. Ini termasuk arsitektur shelter dan shelter; senjata dan pertahanan, termasuk armor, sensor, dan sistem alarm; dan proses yang berkaitan dengan sintesis dan pembuatan. Bahan biologis rupanya dirancang melalui optimalisasi struktur dan sifat simultan untuk mencapai beberapa fungsi atau
multifungsi. Dari Gambar. 1 sampai 6 dari bab "Perbandingan Sifat Material dan
Material Material Biologis (Natural)" secara khusus, dapat diamati bahwa kerapatan (�) kekakuan E, kekuatan (�), dan ketangguhan sangat penting untuk mengoptimalkan dukungan struktural dan toleransi cahaya terkait dengan degradasi dan kegagalan Sebagai sebuah proses, biomimetik dapat melibatkan hal berikut:
- Identifikasi masalah atau masalah material dan temukan bahan alami atau organisme yang menunjukkan masalah yang sama dan amati tanggapan mereka
- Ikutilah inspirasi dengan mengamati dan mempelajari fenomena alam dan sistem bahan alami: inovasi yang terinspirasi oleh alam
- Periksa simulasi biomimetik dan jelajahi
Sistem Material dan Material Terinspirasi Secara Biologis (Bionik) di zaman
purbakala: Armor and Flight
Dalam Gambar. 12e bab "Struktur dan Sifat Bahan Keratin Berbasis dan Terkait," mantel trenggiling diilustrasikan untuk mewakili contoh awal hewan lapis baja yang secara konseptual digunakan untuk perlindungan manusia. Ada contoh yang jauh lebih tua tentang penggunaan armor biologis sebagai pelindung pelindung manusia, dan ini
�
����
�
kemungkinan besar mengilhami terciptanya struktur lapis baja serupa menggunakan bahan lain seperti logam, setelah logam, dan metalurgi.
Pada Dinasti Shang awal Cina (sekitar 1500 SM), bangsawan memakai breastplates yang terbuat dari potongan-potongan kerang, terutama cangkang kura-kura, diikat dalam pengaturan skala yang tumpang tindih. Pengawal Mesir elit juga dikenal mengenakan kulit buaya yang kemudian digantikan oleh piring tembaga atau perunggu yang tumpang tindih untuk perwira militer Mesir dan pasukan elit. Ini armor logam kemudian mungkin terinspirasi oleh armor hewan. Sebuah rangkaian buaya dari buaya yang diilustrasikan pada Gambar 1 dipresentasikan ke British Museum pada tahun 1846 yang ditemukan di dekat Manfalut, Mesir. Sejak legiun Romawi yang menduduki wilayah ini sekitar tahun 400 M. mengadopsi budaya resiprokal Mesir, yang paling penting adalah bahasa Romawi untuk orang Mesir. Armor skala mungkin adalah jenis armor tubuh tertua meskipun konfigurasi armor lain dari pelat telah dibuat. Armor Jepang kuno menggunakan ubin kulit berbentuk heksagonal yang membentuk jaket atau mantel baju besi. Kendaraan taktis Angkatan Darat AS juga menggunakan konfigurasi ini menggunakan ubin keramik heksagonal yang dilapisi dengan polimer. Varians dari armor ini termasuk alumina alumina yang dilapisi zirkoniatough dengan atau terbungkus aluminium. Inti keramik lainnya termasuk Si, B4C, TiB2, dll., Semuanya membentuk armor ringan yang relatif ringan. Berbeda dengan baja. Selain itu, konfigurasi ini menyebabkan fragmentasi proyektil
dan perpindahan lintasan di bagian
Gambar 1 Armor buaya (helm dan pelindung tubuh) dipajang di British Museum, London (Courtesy of
British Museum, London)
�
�
���
�
Skala reptil dan timah terus menginspirasi armor tubuh yang lebih baik. Bruet dkk. (2008)
telah menyelidiki asal-usul mekanistik resistensi penetrasi (atau serangan menggigit)
timbangan dari Polypterus senegalus, fosil "fosil hidup". Ini ditemukan untuk mencakup
beberapa lapisan komposit penguat yang masing-masing mengalami deformasi unik dan fitur penangkapan retak. Fitur serupa telah diteliti untuk Arapaima, cod Amazon 200 kg yang
sisiknya sangat tidak dapat ditembus oleh gigi piranha (Lin et al., 2009). Yang dkk. (2004)
juga baru-baru ini menggambarkan armor kulit lapis karet yang terinspirasi bio dengan
menggunakan bionik skala arapaima bersamaan dengan ulasan biomimetika persenjataan
alami terkait.
Sementara burung dan serangga telah mengilhami banyak upaya untuk meniru
terbang selama ribuan tahun, bionik terbang sejati hanya dicatat secara formal oleh Leonardo
da Vinci (sekitar tahun 1496) yang sangat tidak memperhatikan alam. Jurnal da Vinci berisi studi terperinci tentang burung dan beberapa desain sayap yang melibatkan mesin terbang
yang disebut terutama berdasarkan struktur sayap bat yang dia gambarkan sebagai membran
yang tidak bisa ditembus. Pada abad keempat SM, orang Tionghoa dikenal menggunakan
layang-layang besar untuk mengangkat orang ke ketinggian untuk navigasi dan komunikasi
jarak jauh selama pertempuran, dan saudara laki-laki Montgol menguji balon udara panas
pertama sekitar tahun 1783 yang terinspirasi oleh konsep Roger Bacon mengenai udara yang
memiliki substansi dan prospek untuk membesarkan orang dengan balon. Baru pada saat
Wright bersaudara menemukan dan membangun pesawat terbang pertama (antara tahun 1901 dan 1903) dan menunjukkan tembakan bertenaga dan berkelanjutan pada bulan Desember
1903. Mereka menggunakan kain muslin yang tidak dikelantang yang menutupi permukaan
bawah dua bagian sayap yang menyerupai layang-layang Cina yang terbuat dari potongan
tipis. dari kayu abu Selama beberapa tahun, kayu merupakan bahan struktural pilihan untuk
pesawat terbang sampai paduan aluminium ringan tersedia. Evolusi pesawat terbang, seperti
yang digambarkan pada Gambar. 7 dalam bab "Contoh Struktur Komposit buatan
manusia", telah melibatkan komposit laminasi berarsir bersama dengan logam ringan lainnya seperti titanium dan paduan titanium. Gambar 2 mengilustrasikan evolusi pesawat yang
diawali dengan sketsa da Vinci (Gambar 2a), pesawat 1902 Wright bersaudara (Gambar 2b),
dan jet pemancar Euro yang lebih baru yang ditunjukkan pada Gambar 2c. Peraga Euro pada
Gambar 2c terdiri dari ~ 70% serat karbon komposit (kulit sayap) dan anggota struktur, dan
paduan Li-Al di ujung tombak sayap. Komposit polimer bertulang Fiberglass menyusun ~
12% struktur dengan hanya 15% komponen logam, kebanyakan Ti, dan termasuk sayap
paduan Li-Al. Hal ini didukung oleh dua mesin turbofan yang menghasilkan kecepatan
hingga 2.125 km / jam, lebih dari dua kali kecepatan suara.
582
Lampiran Biologis dan Adhesi: Velcro dan Perekat kering yang terinspirasi
dari Hewan (Biological Attachment and Adhesion: Velcro and Animal-Inspired
Dry Adhesives)
Selain meniru hewan dalam konfigurasi armor dan usaha untuk terbang, hal ini diamati
pada burung dan serangga seperti yang digambarkan di atas, ada biomimetik baru
lainnya yang memberikan contoh konsep yang agak sederhana dan agak kompleks.
Gambar. 2 Evolusi pesawat terbang. (a) Gambar da Vinci. (b) 1903 pesawat Wright bersaudara. (c) 2011 Pesawat Eurofighter (gambar Google)
583
Yang pertama melibatkan pengembangan Velcro yang berevolusi dengan pengamatan
beram alami oleh George de Mestral, seorang insinyur Swiss, yang ia praktekkan di atas
bulu anjingnya sekitar tahun 1940. Setelah itu ia memeriksa duri pada mikroskop
ringan, Mestral dipukul dengan prospeknya membuat pengikat kain berdasarkan kait
yang dia amati di ujung beram. Namun, tidak sampai lebih dari 25 tahun kemudian
Velcro dikembangkan sebagai sebuah produk komersial.
Fenomena keterikatan yang lebih cepat dan lebih kompleks diamati untuk tokek
seperti yang dijelaskan sehubungan dengan gambar. 1 di Bab "Ikatan Kimia:
Nanopartikel" yang menggambarkan pentingnya hydrogen atau gaya van der Waals
yang dibuat dengan susunan jarak dekat setae keratin yang memiliki gagang pada
ujungnya yang menutupi kaki tokek Yurdumankan dkk. (2005) menggunakan multiwall
carbon nanotube arrays untuk meniru rangkaian setae kaki tokek ini Geim dkk. (2003)
menggunakan rangkaian mikrofabrikasi untuk mencapai fenomena adhesi yang sama.
Serangkaian serupa dari pilar silikon 400 nm lebar dikembangkan oleh Lee dkk. (2007)
sementara dkk. (2001) menggunakan array polimer seukuran mikrometer untuk
membuat adhesi kering untuk aplikasi robotik. Potensi intermolekuler tercipta dengan
setae dan setae sintetis diberikan ke persamaan
(1)
kontak dari dua permukaan, R adalah jari-jari masing-
alah konstanta
geometris. Untuk jenis kaki tokek termasuk di Gambar. 24 bab "Dasar-dasar
Elektromagnetik" ada ~ 14.400 setae / mm2 atau ~ 3x 106 di dua kaki depan yang bisa
menghasilkan sebuah gaya ~ 40 kali berat tokek. Analisis serupa oleh Arzt dkk. (2003)
memprediksi diameter sudip untuk adhesi terkait gaya van der Waals akan menurun
massa tubuh ke daya -1/3 (m-1/3). Sejalan dengan itu, untuk massa organisme yang lebih
kecil seperti kumbang dengan massa mendekati 0,2 g, diameter sudip akan menjadi ~
perekat tokek adalah pembersihan diri, dan pengikat
584
tokek dan perekat yang berguna untuk masa datang yang dimodelkan setelah jari kaki
tokek yang telah dibahas oleh Autumn dan Grovich (2008).
Kerang menempel pada batuan melalui susunan benang byssus yang memiliki
setae khusus dengan sifat yang melibatkan uniaksial bersama nanofibers yang masih
belum dipahami dengan baik, Meskipun kombinasi interlocking mekanis dengan
interaksi non-kovalen, termasuk ikatan hidrogen dan ikatan van der Waals, ikut
berperan. Kaki abalon adhesi bawah laut melibatkan susunan setae yang serupa (Lin
dkk 2009).
Tanaman dapat melibatkan strategi pelekatan yang serupa dan kompleks.
Tanaman ivy Inggris melibatkan orientasi mikrofibril pada akar rambut dan mekanisme
lainnya seperti Perubahan substruktur pada tingkat subselular yang bekerja sama untuk
memungkinkan tanaman itu pelekatan ke berbagai permukaan pendakian (Meizer dkk
2010). Akar rambut ivy inggris juga mengeluarkan perekat nanokomposit yang
mengandung nanopartikel bulat berdiameter 60-85 nm. Nanopartikel organik ini
menunjukkan janji dalam biomedis dan aplikasi kosmetik sebagai alternatif yang lebih
aman untuk oksida logam nanopartikel seperti Fe2O3 atau TiO2 (Burns dkk 2012).
Fitur utama untuk pertimbangan biomimetik untuk perekat kering dan basah
umumnya melibatkan mekanisme pelekatan yang meminimalkan atau menghilangkan
perekat toksik, pengencang, klip, kaset, dan isu terkait.
Organisme Light-Emitting (Bioluminescent) (Organisme Light-Emitting
(Bioluminescent))
Light-Emitting (bioluminescent) adalah organisme yang mengubah energi kimia
menjadi cahaya meliputi keragaman organisme yang menakjubkan termasuk serangga,
terutama kunang-kunang, aneka ubur-ubur, dan bakteri tertentu, dan lain sebagainya.
Beberapa organisme memancarkan cahaya dengan menyerap panjang gelombang
tertentu sementara yang lain memancarkan cahaya dengan cara menyerap energi
cahaya.
585
Bioluminescence berkembang dari reaksi kimia seperti pada kunang-kunang dan
noctiluca, spesies yang tinggal di laut yang menunjukkan bioluminescence seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 3. Meskipun protein terlibat dalam proses ini, mereka tidak
memancarkan cahaya secara langsung. Emisi ringan dari kunang-kunang Amerika Utara
(Photinus pyralis), memancarkan lampu hijau dan kuning (557 nm), diyakini paling
banyak dalam sistem bioluminesen yang diketahui cukup efisien. Reaksi kimia yang
dikatalisis oleh kunang-kunang luciferase terjadi dalam dua tahap sebagai berikut:
(2)
dimana ATP adalah sumber energi biokimia universal, adenosin trifosfat; PPi adalah
pirofosfat anorganik; dan AMP adalah adenosine monophosphate. Firefly luciferin,
ATP, LA, PPi, oxyluciferin, dan AMP diilustrasikan pada Gambar 4 yang merupakan
sebuah grafis untuk Pers. 2. Emisi cahaya terjadi pada Pers. 2 dan Gambar 4 karena
oxyluciferin terbentuk dalam keadaan yang tereksitasi secara elektronik dan foton
dilepaskan saat strukturnya kembali ke keadaan dasar dengan rekombinasi elektron atau
fluoresensi. Oleh karena itu Bioluminescence merupakan sebuah jalur konsumsi O2
yang hadir dalam organisme bercahaya.
Luciferin dapat diproduksi dengan rekayasa genetika dan gen luciferin disintesis
dan dimasukkan ke dalam organisme atau dipindahkan ke dalam sel. Ini termasuk ulat
Gambar. 3 Ubur-ubur bioluminescent (Foto milik Phillip Colla (Oceanlight.com)). Gambar tersebut menyatakan sebagian besar organisme bioluminescent adalah pengh uni laut.
586
sutera dan tikus yang telah direkayasa untuk menghasilkan protein (Contagal dan
Bachmann 2002). Baru-baru ini, satu sel manusia dan protein ubur-ubur (luciferase)
(Gambar 3) diamati untuk menciptakan laser sel tunggal (Gather dan Yun 2011).
Kim dkk. (2012) telah menyelidiki mikrostruktur transmisi tinggi di lentera kunang-
kunang dan biomimikri untuk pencahayaan light-emitting diode (LED) yang efisien.
Dalam hal ini, struktur nano kuratif yang ditemukan di lentera kunang-kunang telah ada
dan diamati untuk mengelola warna cahaya struktural, pencocokan indeks optik, atau
cahaya polarisasi dalam skala alam ultrathin. Struktur nano ini terlibat terutama dalam
pengelolaan cahaya masuk dan telah menginspirasi tampilan terkini dan aplikasi
pencitraan (Kim dkk 2012). Lentera kunang-kunang bioluminescent menciptakan Sinyal
Gambar. 4 Karakteristik reaksi kimia dan karakteristik bioluminesen untuk kunang-kunang Amerika Utara. Dua jalur emisi cahaya (warna) yang diilustrasikan. Hasil emisi cahaya yang terlihat cepat hilangnya energi molekul oxyluciferin yang tereksitasi melalui jalur fluoresensi
587
cahaya yang sangat efisien dalam komunikasi seksual (Lewis dan Cratsley 2008).
Sementara reaksi penghasil cahaya telah dipahami dengan baik sebagai imp lisit pada
Gambar 4, struktur nano cuticular kurang dikenal namun, seperti yang diilustrasikan
pada Gambar 5, hal ini telah mengilhami lensa LED yang berbeda dari lensa permukaan
halus seperti yang diilustrasikan pada Gambar 6. Lensa yang diiris polikular ini secara
substansial meningkatkan transmisi cahaya di bagian spektrum yang terlihat sebanding
dengan pelapis antirefleksi konvensional. Hal ini dapat menawarkan peluang baru untuk
meningkatkan efisiensi ekstraksi cahaya dari sistem daya tinggi LED.
Alam dkk. (2012) baru-baru ini juga menunjukkan reaksi kimia yang terjadi
diantara zat pemancar cahaya dan enzim terkaitnya: Reaksi luciferin-toluciferase
(Gambar 4), masing-masing, dapat memberikan suatu rezim cahaya alami yang bebas
energi untuk penerangan disekitar dan kegunaan lainnya. Mereka mendemonstrasikan
fenomena ini kedalam doping Cd berbasis semikonduktor nanorods dengan luciferase
dan ditemukanlah reaksi luciferin-to-luciferase 20-30 kali lebih efisien daripada
percobaan lainnya yang menghasilkan cahaya terang.
Perangkat bioluminescent untuk penerangan tanpa listrik melalui manipulasi
populasi mikroorganisme bioluminescent yang telah diteliti dengan menggunakan
Gambar. 5 SEM gambar sisik yang tidak tepat atau bergerigi pada abdomen kuningan fotokrin (atau lentera) yang meningkatkan cahaya yang dipancarkan darinya dengan meminimalkan refleksi internal cahaya dan memaksimalkan intensitas cahaya yang dipancarkan (Bay dkk setelah 2013)
588
Vibrio fischeri, bakteri yang secara alami bersinar dalam kegelapan, dan Pyrocystis
fusiformis, pada Spesies alga yang bersinar saat terangsang oleh gerakan (Armstrong
dan Spiller 2011). Selain itu, eksperimen dengan gen untuk memungkinkan
bioluminescence ditanamkan organisme yang berbeda, bahkan pohon untuk
menghasilkan "pohon yang bercahaya," bisa mengganti lampu jalan! Konsep ini
mengingatkan pada "pohon bercahaya jiwa" dalam film tersebut, Avatar, yang, menurut
film, memiliki kemampuan untuk langsung menghubungkan sistem saraf dari semua
makhluk hidup.
Struktur Foton dan Sistem Fungsional yang Berhubungan (Photonic
Structures and Related Functional Systems)
Meskipun warna struktural dan Kristal fotonik dipresentasikan secara singkat di Bab
"Warna elektromagnetik dan Warna pada Bahan" (Gambar 14) dan pengaplikasiannya
bahan fotonik akan ditinjau ulang di Bagian XV: Inovasi dalam Magnetik, Electronik,
optoelektronik dan material fotonik, ini mungkin memberikan beberapa kontinuitas
menyajikan gambaran singkat aspek optik yang terinspirasi dari bio. Untuk memulai,
pembaca dapat mengacu pada buku terbaru yang menguraikan biomimetik dalam
Photonics (Karthaus 2013) sebagai serta optik biomimetik (Large 2013). Seperti yang
diilustrasikan pada Gambar. 14 dari Bab "Warna elektromagnetik dan Warna pada
Material" dan Gambar. 5 dan 6, yang paling halus disetel, cepat responsif, dan tepat
diarahkan sistem optik dapat ditemukan di permukaan makhluk hidup.
589
Gambar 7 menunjukkan stereomikrograf kumbang microleaf (Chrysolina
fastuosa) di kepala pin menunjukkan warna-warni warna yang khas dari sekian banyak
kumbang dan permukaan serangga lainnya warna struktural ini dihasilkan bila struktur
permukaannya telah diawetkan dalam kumbang fosil yang menunjukkan warna yang
hidup yang mirip dengan Gambar 7 yang dihasilkan oleh struktur reflektor multilayer
chitin pada epicuticle (McNamara dk. 2012; Seago dkk. 2009). Ini menciptakan warna
interferensi. Struktur cuticular lainnya berisi rangkaian 3D yang berfungsi sebagai
Kristal fotonik opal (Gambar 14g Bab "Warna Elektromagnetik dan Warna dalam
Bahan") dan buat warna difraksi Selain itu, struktur seperti kisi difraksi mirip dengan
Gambar. 6 Meniru struktur nano cuticular dari lentera kunang-kunang pada lensa dengan daya tinggi LED untuk efisiensi ekstraksi cahaya. (a) Skema lentera kuningan. (b) Struktur LED Biomimetik (Diadaptasi dari Kim dkk 2012). (c, d)menggambarkan emisi cahaya kunang-kunang dan LED
590
sayap kupu-kupu (Gambar 14e bab "Warna Elektromagnetik dan Warna pada Material")
yang juga membahas penciptaan warna.
Dalam beberapa komposisi keramik multilayer cuticular chitin, persediaan terdiri dari
pasangan berlapis dengan indeks bias yang berbeda dan mencerminkan semua jenis
cahaya. Ini juga ditandai oleh struktur Bouligand dimana putaran ujung lapisan
memantulkan cahaya terpolarisasi secara melingkar. Dalam struktur ini warnanya dibuat
dengan difraksi. Struktur Bouligand atau yang disebut Struktur kayu lapis yang bengkok
juga telah dibahas sebelumnya dalam konteks komposit alam mekanisme penguatan
dalam Gambar. 14a dan 15b dari Bab "Struktur dan Sifat Bahan Berbasis Keratin dan
Keterkaitan Biologis ". Gambar 8 mengilustrasikan contoh rezim warna struktural ini.
Struktur Helicoida Bouligand juga memberikan kekuatan pada kerang kumbang dan
struktur kerang lainnya (Hepburn and Ball 1973).
Fitur menarik dari Gambar 8 menunjukkan bahwa ciri-ciri struktural ini dapat
ditiru menggunakan deposisi uap kimia terfokus pada ion balok (FIB-CVD), laser
langsung menulis, atau teknologi cetak 3D lainnya. Akibatnya, warna permukaan yang
Gambar. 7 Kumbang daun mikro (Chrysolina fastuosa) di kepala pin (Foto diambil oleh Klaus Bolte, Ontario, Kanada)
591
berwarna-warni atau citra dapat berupa komputer yang dihasilkan sebagai struktur nano
permukaan yang permanen, jika tidak terdegradasi, ia bisa menjaga fitur warna ini tanpa
batas waktu.
Gambar 8h, selain untuk menggambarkan kisi fotonik pada Gambar 8b, khususnya c,
juga menggambarkan fungsi lain dari susunan nano dan struktur yang serupa dengan ini.
Ini termasuk keterbasahan yang berkaitan dengan fenomena hidrofilik dan hidrofobik
diwakili oleh fitur kumbang kumbang pada Gambar 8d. Awalnya, uap air (atau kabut)
dapat mengumpulkan permukaan hidrofilik dengan nukleasi heterogen yang
(3)
SV SL LV adalah uap padat (SV)
(atau substrat padat) energi bebas interfacial, solid-liquid
-
substrat, tetesan menjadi benar-benar hidrofobik atau super
hidrofobik: tidak membasahi permukaan. Kondisi ini diilustrasikan secara umum pada
Gambar 9.
592
Gambar. 8 Struktur biologis yang berasal dari warna struktural dan multifungsi terkait. (Sebuah) Struktur Bouligand diamati pada 90o. Lapisan kitin diputar untuk membuat birefringent chiral
nanofiber array (Gambar 15 dalam Bab "Struktur dan Sifat Berbasis Keratin dan Biologi yang berkaitan dengan material") pada cangkang dibeberapa kumbang yang menghasilkan warna interferensi. Ini bisa termasuk pasangan berlapis dari indeks bias yang berbeda. (b) citra struktur SEM skala tanah Morpho didius suatu Spesies kupu-kupu dengan sayap biru besar yang bisa berubah menjadi ungu dengan perubahan sudut pandang. Jarak vertikal menghasilkan warna difraksi (kisi): ~ 450 nm (biru) (Kinoshita dk 2008). (c) Replika karbon FIB-CVD dari struktursayap kupu-kupu di (b) (Diadaptasi dari Watanabe dkk 2005). (d) Bebas lilin, benjolan hydrophilicberbasis chitin pada elytra (forewing) dari kumbang gurun Stenocara
593
Seperti yang tersirat pada Gambar. 8h dan 9, wettability menggabungkan topografi dan
komponen kimia (atau bahan kimia) permukaan, dan ini juga terkait dengan adhesi
permukaan dan gesekan. Banyak serangga, terutama kupu-kupu, pameran fitur
permukaan yang tidak membasahi atau superhydrophobic yang merupakan
kelangsungan hidup masalah mendasar dalam memberikan perlawanan terhadap
pembasahan oleh hujan atau permukaan pertemuan terhidrasi lainnya.
Gambar. 9 Konsep hidrofilik / hidrofobik mendasar berhubungan dengan homogen dan heterogen nukleasi: fenomena sudut kontak. Membasahi hidrofobik untuk 90 o
c = 180o
Dan superhydrophobico Dan
o. Penginderaan organisme mendekati predator. Di beberapa rambut berisi kanal berisi cairan, iradiasi dengan sinar inframerah (~ gelombang) menyebabkan panas Ekspansi cairan dan perluasan rambut sensorik, merangsang sinyal mekanis yang bisa dirasakan oleh sistem saraf organisme (Shcmitz dkk 1997). Beberapa susunan sensor bola lainnya Sel yang disebut sensillum disusun di punggung mata yang kompleks (Gambar 10) melakukan fungsi sensorik yang serupa
Gambar. 8 (lanjutan) sp. menangkap manik-manik kelembaban yang menyatu menjadi tetesan yang lebih besar yang mengalir turun pada Kumbang superhydrophobic, permukaan tempurung dilapisi lilin ke dalam mulutnya. Ada 400.000 kumbang (Coleoptera), urutan serangga yang paling beragam (Dari Parker dan Lawrence 2001). Pertunjukkan kolagen kolagen penghasil warna (nano-bumps and holes) dari jaringan caruncle biru muda dan biru burung hijau yang endemik ke Madagaskar (Philepitta castanca) (Dari Prum dkk1999). (g) nanobumps emas diproduksi oleh photolithography. (h) Fitur permukaan biologis yang menghasilkan multifungsi (Diadaptasi dari Shimomura 2010)
594
Topografi yang secara sistematis meningkatkan antarmuka air-air dan meminimalkan
area kontak padatan yang akan menghasilkan yang lebih tinggi (lebih hidrofobik)
superhydrophilicity (Martines dkk. 2005). Seiring tetesan air meluncur dari permukaan
sayap atau kerang serangga, kotoran dan kontaminan partikel lainnya dilepas,
menciptakan antifouling dan fitur pembersihan. Selain itu, fitur permukaan
memamerkan tinggi sudut kontak juga menunjukkan kekuatan adhesi partikel rendah
juga (Ralston dan Swain 2011). Efek pembersihan yang dihasilkan dari struktur
permukaan sering disebut sebagai rangkaian efek lotus sejak benjolan pada beberapa
mikron dalam ukuran pada daun teratai permukaan (mirip dengan benjolan kumbang
yang ditunjukkan pada Gambar 8d) dan tonjolan lilin bentuk rangkaian mikrokristal,
bahkan lipatan pada benjolan ini. Fraktal yang dihasilkan Struktur bergelombang
menyediakan permukaan daun teratai sebagai properti superhydrophobic (Tsujii 2009).
Ada banyak contoh skala atau struktur skala yang menunjukkan fitur gesekan
rendah. Ini melibatkan ular derik padang pasir dan kadal, terutama kadal scincus scincus
yang mendiami padang pasir di Afrika Utara dan Asia Barat Daya. Disebut juga "ikan
pasir," kadal ini menyelam ke pasir dan bergerak di bawahnya permukaan dengan gaya
seperti berenang. Sisik kulitnya memiliki koefisien yang lebih kecil gesekan dari baja
yang dipoles atau Teflon dan dicirikan oleh susunan permukaan yang memiliki
ketinggian beberapa ratus nanometer, berjarak beberapa mikron (Baumgartner dkk.
2008; Berthe dkk. 2009). Saat ini ada beberapa produk komersial permukaan mantel
untuk menghasilkan fenomena superhydrophobic dan juga kain anyaman dengan bidang
berlapis silika untuk menghasilkan struktur nano yang kondusif perilaku
superhydrophobic.
Ada juga struktur serangga yang lebih besar yang telah menginspirasi material
biomimetic dan perangkat. Ini melibatkan fitur berskala lebih besar (ukuran mikron)
seperti struktur mata majemuk dan struktur rambut. Ini diilustrasikan pada masing-
masing Gambar. 10 dan 11. Meskipun ini adalah rangkaian struktur yang lebih besar,
mereka terdiri dari hirarki yang sama dari molekul, fibril, serat, dan karakteristik
komposit dari semua sistem biologis.
595
Struktur mata majemuk seperti yang diilustrasikan secara khas pada Gambar 10 telah
mengilhami banyak aplikasi biomimetik yang memanfaatkan non-reflektif mereka
struktur permukaan yang menunjukkan pola periodik atau berulang yang sama dengan
yang ada di Gambar 8. Mata ngengat telah menjadi model khusus untuk meningkatkan
sel surya efisiensi (Zhao dkk 1999) serta efisiensi kolektor surya dan area yang luas film
antireflective pada perangkat display (Wilson dan Hutley 1982).
Gambar 11 mengilustrasikan struktur bulu binatang dan hewan lainnya sebagai sensor
dan prospek pengembangan sensor biomimetik dan sensor. Beberapa Rambut berfungsi
sebagai sensor mekanisensitif dimana gerakan mereka di aliran udara atau Perubahan
aliran udara dapat memungkinkan organisme untuk merasakan mendekati predator.
Dalam beberapa Rambut yang berisi kanal berisi cairan, iradiasi dengan sinar
inframerah (3 mikron panjang gelombang) menyebabkan ekspansi cairan termal dan
perluasan sensorik rambut, merangsang sinyal mekanis yang bisa dirasakan oleh sistem
saraf organisme (Schmitz dkk 1997). Beberapa susunan sel spherical sensoris lainnya
disebut sensillum yang disusun di punggung mata yang kompleks (Gambar 10) tampil
serupa fungsi sensorik.
Gambar. 10 SEM dari gambar mata serangga
596
Hal ini jelas dalam retrospeksi, dan mempertimbangkan implikasi dari Gambar 8,
khususnya Gambar 8h, multifungsi itu pasti terkait dengan hiraki struktural. Mereplikasi
hirarki struktural ini akan menjadi kunci pengembangan novel bahan biomimetik dan
sistem di masa depan, terutama di mana ini bisa terjadi dibuat oleh teknologi cetak 3D
yang akan dijelaskan pada Bagian XI: Lanjutan Pengolahan Material dan Fabrikasi: 3D
Printing dan Teknologi Manufaktur Additive berikut.
Komposit Keratin-Karet dan Contoh Lain dari Biokomposit (Keratin
Rubber Composite and Other Examples of Biocomposites)
Contoh penggunaan bahan biologis alami dalam pembuatan karet atau komposit ban
(Gambar 9 di bab "Contoh Struktur Komposit dari Buatan Manusia ") dijelaskan dalam
aplikasi paten baru- -keratin dalam
bentuk bulu- bulu unggas dan serat (termasuk ayam dan unggas lainnya) yang mewakili
beberapa miliar pon bulu yang dibuang di industri perunggasan AS ditambahkan atau
sudah terdispersi menjadi karet sintetis atau alami di tempat pengisi lain seperti karbon
Gambar. 11 Kaki dan badan serangga rambut diamati dalam pemindaian mikroskop elektron. Pembesaran sama dengan ditunjukkan pada Gambar 10
597
hitam. Agen kopling digunakan secara kimiawi mengikat keratin berupa tepung bulu
panjang 0,01-50 mm. Dalam Konteks produk yang dibuang di industri perunggasan,
aplikasi ini akan menunjukkan contoh signifikan sinergi produk sampingan:
penggunaan bahan buangan dalam penciptaan bahan dan produk baru yang berguna.
Produk sejenis sudah termasuk komposit limbah tanaman dan berbagai produk kayu
dari serpihan kayu dan serutan dalam pengikat polimer atau matriks.
Tentu ada ratusan bahkan ribuan contoh bahan biologis sebagai serat limbah yang
digunakan dalam pengembangan komposit. Tinjauan pustaka serat tanaman non-kayu
untuk bahan bangunan, misalnya, mendaftar 1.165 referensi di seluruh dunia
(Youngquist dkk 1994). Meskipun tidak secara khusus melibatkan biomimetik, Contoh
seperti itu menggambarkan sinergi produk sampingan dari limbah biologis.
Sistem Branched dan Struktur Fraktal (Branched Systems and Fractal
Structures)
Sistem biologis sebagian besar sangat kompleks, tidak teratur, dan sejajar non-linier.
Penyimpangan semacam itu tidak dapat diukur dengan geometri Euclidean klasik.
Untuk mengatasi keterbatasan geometri ini, Mandelbrot (1982, 2012) meresmikan
konsep dimensi fraktal dan memperkenalkan istilah "geometri fraktal." Sementara
Geometri Euclidean berhubungan dengan objek dalam dimensi integer, geometri fractal
berhubungan dengan dimensi non-integer dan disebut dimensi fraktal. Fraktal geometri
pada dasarnya mirip dengan diri sendiri. Pertumbuhan serupa diri ada di seluruh alam
dan diatur oleh hukum dinamik universal yang independen dari yang pasti rincian
sistem dinamik, seperti kimia, sifat fisik, dan sebagainya, sebuah sistem yang
berkembang seiring berjalannya waktu. Tubuh manusia adalah contoh geometri fraktal
yang bagus.
598
Contoh khusus meliputi percabangan pohon bronkus yang diilustrasikan pada Gambar
12a ini Berbeda dengan percabangan pohon biasa pada Gambar 12b. Ini
menggambarkan konsep fractal dimensi:
M D = N (4)
Gambar. 12 Fraktal percabangan. (a) paru manusia. (b) percabangan pohon
599
D = logN/logM (5)
Konsep dasar fraktal mewujudkan pola yang bila diambil sebagai bagian yang
terkecil tampak serupa jika tidak identik dengan struktur penuhnya. Fitur ini tersirat
dalam pola bercabang pada Gambar 12 yang merupakan karakteristik dari beragam
hierarkis system seperti pertumbuhan berbagai bahan dendritik dan mikrodendritik,
terutama logam dan paduan. Banyak pola fraktal yang menggambarkan berkembangnya
selfsimilar atau struktur hirarkis dalam lautan keacakan. Dalam pengertian ini, struktur
bunga kembang kol atau kembang kol seperti brokoli Romanesco, adalah salah satu
bentuk fraktal alami yang paling menarik, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 13.
Bentuk ini juga menggambarkan urutan reguler seperti yang ditunjukkan oleh petunjuk
panah di Gambar 13 dalam evolusi bentuk, ukuran, dan posisi relatif serupa dari diri
sendiri komponen fraktal Dalam pengertian ini, kita bisa mengatur ulang Persamaan. 5
dalam bentuk
Gambar. 13 Pola fraktal pada brokoli Romanesco menunjukkan kesamaan diri alami Dimana M adalah pembesaran, D adalah dimensi fraktal, dan N adalah jumlah bentuk yang identik, dari Persamaan 4
600
D = [log(Nn+1/Nn]/[log(rn/(rn+1)] (6)
dimana Nn adalah himpunan fraktal atau jumlah fragmen dengan dimensi linier yang
ditentukan sebagai rn.
Juga dicatat bahwa pola brokoli pada Gambar 13 juga mewakili Mandelbrot set yang
ditunjukkan oleh persamaan bentuk
Z = Z2 + C (7)
dimana Z dan C adalah bilangan kompleks dan set Mandelbrot adalah satu set dari
semua C kompleks sehingga Z = Z2 + C tidak menyimpang. C untuk satu set adalah
bilangan konstan artinya tidak berubah seiring himpunan yang berkembang. Jika kita
mulai di Z = 0, itu berubah dengan setiap iterasi yang menciptakan Z baru
sama/disetarakan dengan Z lama plus konstan C.
Sementara Gambar. 12 dan 13 menggambarkan fraktal dan geometri fraktal
dalam biologi dan Alam, ada aplikasi fraktal dalam biologi dan kedokteran yang
berkaitan dengan pemahaman fenomena praktis ini termasuk struktur otak dan paru-
paru (Gambar 12a), ikatan DNA, dan tidak berhubungan jarak jauh dalam regulasi detak
jantung atau ritme (Havlin dkk 1995). Bentuk fraktal dan analisis fraktal juga telah
diterapkan identifikasi tumor pada gambar MR otak dan gambar histologis diagnosa
medis lainnya di Indonesia (Klonowski dkk. 2010). Antena fraktal, yang menggunakan
desain selfsimilar untuk memaksimalkan struktur material yang menerima atau
mentransmisikan elektromagnetik radiasi, menghasilkan antena kompak, multiband,
atau wideband yang digunakan dalam sel telepon dan aplikasi microwave lainnya.
Karena struktur dendritik terjadi sebagai konsekuensi aliran panas dan karena
Struktur alami yang serupa seperti pembuluh darah dan sistem yang diwakili oleh
percabangan kompleks (ditunjukkan pada Gambar 12), sistem yang serupa dengan
percabangan fraktal, bahkan Sistem 3D yang kompleks, bisa dianggap sebagai
perpindahan panas yang efisien atau pertukaran panas perangkat (Rayneau-Kirkhope
dkk 2012). Ini bisa dibuat dari berbagai macam bahan dan terutama menggunakan
konsep pencetakan 3D. Sistem fraktal semacam itu mungkin terjadi terutama berlaku
untuk pendinginan perangkat kecil dan sirkuit elektronik, termasuk Komponen LED.
601
Desain ini dapat dicetak pada hampir semua permukaan atau sirkuit permukaan
cetak. Fraktal bercabang seperti yang diungkapkan oleh pohon seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 12b juga mungkin dieksploitasi dalam beberapa bentuk baru
dari desain sel surya. Struktur fraktal ultrasonic mewakili struktur hierarkis juga telah
digambarkan sebagai rute perancangan struktur multifungsi ringan (Rayneau-Kirkhope
dkk 2012). Begitu rumit struktur (Gambar 14) dapat dibuat dengan pencetakan 3D atau
manufaktur aditif terkait konsep yang akan dibahas pada bab berikutnya (Bagian VIII:
Material Biologis).
Desain Biomimetik dalam Batas Komposit (Biomimetic Design of
Composite Interfaces)
Meskipun kita telah menggambarkan komposit dan sistem komposit dijelaskan dalam
Bagian VIII: Bahan Biologis dan keseluruhan sistem Material biologis di Bagian VIII:
material Biologis dan dalam bab ini, di Bagian IX: Biomimetik, mungkin lebih
sederhana untuk melihat masalah interfaces. Kalau dipikir ulang, bisa jadi bahwa
komposit buatan manusia lebih menunjukkan kompatibilitas yang buruk pada batas
kompositnya. Namun, dalam sistem biologis, Interfaces menunjukkan stabilitas yang
luar biasa,
Gambar. 14 Desain fraktal beban (kanan) dengan elemen ringan dan elemen yang sama. Diadaptasi dari Rayneau-Kirkhope dkk. (2012)
602
Kompatibilitas fisik dan kimiawi, dan gradasi struktural dan komposisi variasi
Interfaces. Selain itu, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 15, komposit biologis
diwakili oleh serat hirarki dan kompleksitas geometris yang telah mengilhami model
yang lebih fungsional daripada model serat bundel tradisional. Ini Juga termasuk
percabangan serat untuk penekanan penarikan yang terinspirasi oleh fractal percabangan
(Gambar 12) seperti yang digambarkan secara skematis pada Gambar 16a, termasuk
dendritic dan komposit fase microdendritic, dan penambahan interlayer atau transisi
lapisan untuk kompatibilitas dan fungsionalitas yang disempurnakan, termasuk
pembasahan serat Interfaces yang efektif / matriks (Chawla 1996; Kim dan Mai 1998;
lihat Gambar 9).
Seperti yang ditunjukkan oleh Meyers dkk. (2006), fitur pendefinisian utama yang keras
dalam Sistem biologis konteks komposit adalah adanya mineral dan komponen organik
Tabel 1 mengilustrasikan beberapa sistem yang lebih menonjol ditinjau dalam Bab ini
dan di Bagian VIII: BAHAN-BAHAN BIOLOGI. Bisa jadi Mengapresiasi bahwa sifat
mekanik cocok dengan berbagai fungsi biologis yang difasilitasi oleh kompleks,
berbagai skala panjang hierarki yang melibatkan beberapa antarmuka tersirat pada
Gambar 15.
Selain penarikan penarikan yang diberikan oleh percabangan ilustrasi secara
skematis pada Gambar 16a, penarikan yang disebabkan oleh perambatan interfacial
sebagai hasil dari efek Poisson Rasio yang menyebabkan susut susut serat juga bisa
disajikan dengan menggunakan serat memiliki rasio Poisson negatif. Bahan itu disebut
sebagai auxetics dan jika saat diregangkan, mereka menjadi lebih tebal normal pada
tekanan yang diberikan. Karena itu, serat penguat auxetic akan menebal dengan
penerapan gaya tarik. Gambar 16b mengilustrasikan elemen heksagon auxetic sederhana
yang menjadi persegi saat diregangkan, kompres bahan dalam arah tegak lurus terhadap
peregangan memaksa. Gambar 16c, d menggambarkan efek ini karena berlaku untuk
kompresi serat / matriks untuk komposit serat / matriks komposit.
603
Gambar. 15 Perbandingan (dan ringkasan) bundel serat komposit biologis (kiri) dan bundel model serat tradisional (kanan) (a). (b-f) menunjukkan contoh komposit serat biologis. (b) Kayu (c) Kolagen. HA adalah kristal hidroksiapatit . (d) hirarki bulu (e) Serat sutera ulat sutra. (f) komposit kulit keong.
604
Gambar. 16 Penarikan serat untuk serat bercabang (a) dan serat auxetic (b-d). (pita (c) menunjukkan unsur auxetic dan ekspansi membrane tegak lurus terhadap peregangan kekuatan (atau stres) sementara (d) menunjukkan kontraksi hubungan dan perbandingan ekspansi.
605
Sebagian besar bahan konvensional menolak perubahan volume yang tersirat
pada Gambar 16b-d oleh modulus bulk, K, lebih dari yang mereka tolak dalam bentuk
perubahan, seperti yang ditentukan oleh modulus geser, G, di mana
(8)
Dan dari
(9)
Kami dapat menuliskan
(10)
Dimana untuk bahan rekayasa konvensional, nilai K biasanya lebih besar dari pada nilai
G, yang mengarah ke
(11)
606
607
Ini membatasi bahan struktural konvensional untuk memiliki rasio Poisson, untuk
menjadi 1/8. Konsekuensinya, 0 kita mensyaratkan modulus bulk menjadi jauh
lebih kecil dari pada modulus geser (K << G). Menulis ulang Pers. 10 memungkinkan
seseorang untuk memvisualisasikan ini fenomena:
(12)
Ada contoh auxetisi molekul. Kertas dan selulosa komposisinya molekul menunjukkan
perilaku auxetic sejak kertas dari segala jenis saat diregangkan dalam sebuah arah dalam
pesawat akan melebar ke arah ketebalan. Kita bisa menggambarkan molekul perilaku
auxetic dengan mengacu pada Gambar 17 (Yang dkk 2004). Demikian pula, molekul
selulosa (Gambar 11 di bab "Contoh Komposit Alam dan Struktur Komposit ") dan
sutra laba-laba nanofibril yang menyusun (Gambar 17 dari bab "Ikatan Kimia:
Nanopartikel") dapat dibayangkan untuk menunjukkan auxetic perilaku dalam beberapa
korespondensi dengan Gambar 17. Contoh pertama dari sintetis Bahan auxetic adalah
struktur busa (busa auxetic) (Lakes 1987) walaupun Gibson dan Ashby (1982)
sebenarnya menggambarkan efek auxetic dalam bentuk karet silikon dua dimensi atau
sarang lebah aluminium yang mengalami deformasi dengan lentur dari tulang rusuknya.
Gambar. 17 Contoh auxetisi molekul. (a) Elemen molekuler merespons peregangan (tarik). (b) Komponen molekuler fleksibel
608
Beberapa ulasan terbaru menggambarkan perkembangan pemodelan, desain, dan
pembuatan padatan seluler auxetic dan kepentingan lainnya bahan auxetic dalam
berbagai aplikasi teknik (Alderson dan Alderson 2007; Greaves dkk. 2011; Prawoto
2012).
Bahan-bahan tambahan juga termasuk yang menunjukkan koefisien termal
ekspansi negatif (Tabel 1 pada Bab "Contoh Sifat Tensor Menggunakan Matriks
Fundamental (properti fisik) ") serta bahan yang menunjukkan ketahanan terhadap
indentasi seperti yang digambarkan secara skematis pada Gambar 18. Pada bahan
normal yang dikenakan Uji kekerasan tradisional seperti uji indentasi Rockwell,
kekerasan mengungkapkan perlawanan terhadap indentasi:
(13)
adalah rasio Poisson, dan m adalah konstan sama
dengan 1 untuk tekanan indentasi yang seragam. Dalam uji kekerasan material normal
seperti ditunjukkan pada Gambar 18, gaya indentor memampatkan material yang
mengkompensasi dengan menyebarkan arah yang tegak lurus, dan jauh dari, arah
indentasi, ditunjukkan oleh P pada Gambar 18. Sejalan dengan itu, bahan auxetic akan
menekan ke arah penetrator (Gambar 18) dan ini menciptakan daerah yang lebih padat
dengan bahan yang lebih tahan terhadap indentasi.
Gambar. 18 Resistansi auksin terhadap indentasi (Diadaptasi dari yang asli oleh J. N. Grima, Universitas Malta)
609
Jelas bahwa kecekatan muncul terutama saat kerja sama antara material struktur
geometris internal atau cara struktur ini mengalami deformasi saat dimuat. Ini struktur
dapat berasal dari "sel satuan" seperti yang digambarkan dalam kasus yang paling
sederhana pada Gambar 16b. Sel unit yang lebih kompleks dapat digunakan untuk
membuat busa auxetic dan struktur terkait lainnya, dan ini akan dijelaskan lebih rinci
pada Bagian XI: Lanjutan Pengolahan Material dan Fabrikasi: 3D Cetakan dan
Teknologi manufaktur adiktif. Tabel 2 mencantumkan berbagai bahan non-auxetic
(normal) dan auxetic dan rasio Poisson mereka yang sesuai. Beberapa bahan non-
auxetic ini diturunkan dari tabel 2 di Bab "Contoh Sifat Tensor Menggunakan dasar-
dasar Matriks (properti fisik) ". Hal ini juga dapat dicatat pada Tabel 2 bahwa ada
sebuah jumlah bahan auxetic alami seperti zeolit (seperti thomsonite: Na4Ca8
[Al20Si20O80] · 24H2P (Grima dkk 2009)) dan grafit pirolitik yang secara berurutan
auxetic sepanjang c-axis. Hal ini telah diamati bahwa banyak logam kubik saat
diregangkan di sepanjang arah [110] menunjukkan rasio Poisson negatif. Kami akan
mengeksplorasi bahan auxetic secara lebih rinci karena diaplikasikan dalam novel
biomaterial dan inovasi biomedis nanti di bab "Strategi untuk Penggantian tulang dan
Jaringan Augmentasi"
Tabel 2 rasio Poisson untuk non-auxetic dan bahan auxetic
610
Penghasil Protein dan Konsep yang Terkait (Protein Factories and Related
Concepts)
Mungkin tujuan akhir dalam ilmu dan teknik material melibatkan penciptaan bahan atau
sistem material dengan sifat, perilaku, kinerja, atau fungsionalitas berdasarkan dasar
inklusif dan struktur atom dan molekuler. Dalam kasus bahan alami atau biologis, ini
melibatkan genom atau keseluruhannya dari informasi turun temurun organisme yang
dikodekan dalam DNA atau RNA. Genom mencakup gen dan urutan noncoding DNA /
RNA.
Biologi sintetis menciptakan bahan biologis dan sistem bahan dengan menirukan fungsi
biologis melalui untai DNA bangunan dan mengubah untaian DNA seperti halnya
rekayasa genetika. Pendekatan ini menggabungkan dasar ilmu biologi dengan teknik
sebagai bahan biologis sains dan teknik. Untai DNA baru kemudian ditempatkan dalam
sel yang hidup kosong (bakteri atau virus) yang bisa dibangun untuk beberapa
spesifikasi bahan biologis. Seperti yang telah kami gambarkan di awal bab ini, sel virus
dan bakteri bisa terjadi dimanipulasi untuk menghasilkan bahan protein yang
bermanfaat. Pendekatan ini menciptakan penghasil protein atau penghasil sel yang bisa
memproduksi berbagai macam biologis yang berguna sebagai produk, termasuk obat -
obatan dan terapi yang terkait. Sel tunggal juga bisa dienkripsi dalam berbagai cara atau
komponen dalam sel dapat diprogram secara selektif bagian dari sebuah proses dalam
mengumpulkan atau memproses informasi atau menanggapi beberapa bentuk sinyal
masuk. Konsep ini bisa disesuaikan dengan pembuatan biologi sintetis perangkat
sebagai bentuk perhitungan terdistribusi (Macia dkk 2012).
611
Gambar 19 mengilustrasikan dua untaian DNA: satu yang disalin ke mRNA
(messengerRNA) dan selanjutnya diterjemahkan untuk memiliki urutan komplementer
ke mRNA dan barisan dasar lainnya dari untai berlawanan yang secara langsung sesuai
dengan kodon di mRNA. Untai template mengacu pada DNA urutan yang disalin
selama sintesis mRNA. Untai yang berlawanan disebut untai pengkodean atau untai
mRNA seperti urutannya sesuai dengan kodon yang diterjemahkan ke dalam protein.
Ada 40 juta posisi di dalam manusia genom dengan urutan DNA yang berbeda dengan
primata. Manusia Genom memiliki total tiga miliar pasang.
Gambar. 19 Struktur untaian DNA (a) dan skema komposisi (b) (Koleksi dari perusahaan Pearson Education)
612
Dapat dicatat pada Gambar 19 bahwa setiap untaian terdiri dari deretan basa (adenine
(A), timidin (T), sitosin (C), dan guanin (G)) terikat pada cincin gula (deoxy-ribose) dan
ke PO4-2 fosfat Kelompok 2: kelompok dasar + gula + fosfat yang membentuk sebuah
nukleotida. Kedua helai itu berjalan berlawanan arah dan antiparalel: satu tulang
lainnya (lima prime), yang mengacu
pada arah karbon ketiga dan kelima pada molekul gula. Dalam sel manusia, DNA
diorganisasikan ke dalam struktur panjang yang disebut kromosom yang diduplikasi
(dengan replikasi DNA) selama pembelahan sel. Kromosom manusia terbesar
(kromosom nomor 1) adalah ~220 juta pasangan basa panjang.
Gen adalah urutan DNA yang mengandung informasi genetik, dan dalam sebuah
gen, urutan basa di sepanjang untai DNA (Gambar 19) mendefinisikan mRNA urutan
yang kemudian mendefinisikan satu atau lebih urutan protein. Hubungan antara urutan
gen nukleotida dan rangkaian asam amino protein ditentukan oleh apa yang disebut
aturan terjemahan atau kode genetik yang terdiri kodon terbentuk dari urutan tiga
nukleotida, misalnya ACT, CAG, TTT, dll. Kodon ini disalin ke mRNA oleh RNA
polimerase yang kemudian diterjemahkan oleh ribosom yang membaca urutan RNA.
Karena ada empat basis (A, T, C, G) di kombinasi tiga huruf seperti yang disebutkan di
atas, ada kombinasi 43 (atau 64). Ini menyandikan 20 asam amino standar yang
ditunjukkan pada Gambar. 1 di Bab "Struktur dan Fungsi Virus dan Bakteri ", memberi
Gambar. 20 Pabrik seluler dalam biologi sintetis. Tali DNA atau gen diperkenalkan ke program sel menjadi pabrik seluler untuk menghasilkan produk bernilai tinggi. Fungsi seluler ditunjukkan secara umum
613
sebagian besar asam amino lebih dari satu kemungkinan kodon Akhir dari daerah
pengkodean dilambangkan dengan kodon TAA, TGA, dan TAG.
Seperti yang kita catat sebelumnya di Gambar. 5 (Bab "Struktur dan Fungsi
Virus dan Bakteri "), Escherichia coli dapat berfungsi sebagai pabrik protein dimana
dengan melampirkan gula untuk protein dalam jumlah besar yang berbeda glikoprotein
dapat menghasilkan berbagai studi medis dan biologi. Sebagai tambahan, dan seperti
yang diilustrasikan pada Gambar 20, Banyak komponen dan sistem rekayasa lainnya
dapat dicapai dengan mengidentifikasi Berbagai fungsi organisme dan memanipulasinya
dalam proses biokimia yang mendasar atau sering disebut sebagai proses bakteri
rekayasa. Sintetis Biologi sering disebut sebagai desain dalam perangkat konstruksi
biologis dengan memasukkan DNA buatan ke dalam sel atau organisme (terutama
bakteri). "Registry of Standard Biological Parts" (Catalog-partsregistry.org;
http://parts.mit.edu) termasuk rangkaian DNA yang dirancang khusus untuk digunakan
dalam dua jenis bakteri, ragi (yang lebih kompleks dibanding bakteri), bacteriophage
T7, dan sel mamalia. J. C. Venter dan rekannya (Gibson dkk. 2010) telah
menggambarkan desain dan sintesis 1,08 juta pasang basa yang dipindahkan ke sel
penerima Mycoplasma capricolum untuk membuat Mycoplasma baru Sel-sel mycoides
hanya dikontrol oleh kromosom sintetis.
Manipulasi sel semacam itu telah menyebabkan sintesis gen, vaksin dan produksi
antibodi, enzim industri, dan prospek untuk menciptakan biofuel menggunakan sekuens
DNA yang dimasukkan ke dalam organisme inang yang akan melakukan proses
produksi biofuel. Molekul farmakologis penting seperti insulin sebenarnya telah
diproduksi oleh teknologi DNA rekombinan dalam rekayasa sel bakteri selama lebih
dari tiga dekade (Goeddel dkk 1979). Dengan kemampuan untuk menciptakan genom
buatan (Gibson dkk, 2010), prospek bakteri penghasil obat atau terapeutik yang
disesuaikan menjadi tempat biomaterial yang layak.
Akhirnya, dan dalam retrospeksi, prospek fabrikasi sirkuit sintetis kompleks seperti
yang diulas oleh Macia et al. (2012) dan diilustrasikan secara skematis pada Gambar 21
layak mendapat beberapa komentar. "Sirkuit hidup" semacam itu dapat menyediakan
platform komputasi terdistribusi untuk mencapai perhitungan dan prospek yang
kompleks agar pemrograman ulang mudah dilakukan dengan mengganti beberapa jenis
614
sel oleh orang lain atau memodifikasi fungsi logika tertentu, sehingga memungkinkan
untuk membangun beragam sirkuit beragam seperti yang diilustrasikan pada Gambar
21.
Gambar. 21 Koloni yang dipisahkan secara spasial dari strain yang direkayasa terhubung melalui molekul pengkabelan kuorum (asyl homoserine lactones). Dua gerbang NOR ortogonal dikombinasikan untuk membangun semua dua masukan gerbang logika one-output (a) Unit dasar yang dibangun pada E. coli BAD Tet diaktifkan di bawah kehadiran arabinosa (Ara) dan anhidrotetracycline (aTc). Transkripsi repressor ditunjukkan pada (b). (c) Menunjukkan kombinasi spasial jarak jauh dari Australia. (d) Sesuai molekul gerbang logika (dua input gerbang logika satu keluaran) (Diadaptasi dari (Macia dkk 2012)
615
References
Alam R, Fontaine DM, Branchini BR, Maye MM (2012) Designing quantum rods for
optimizing energy transfer with firefly luciferase enzymes. Nanoletters 12(6):3251
3256
Alderson A, Alderson K (2007) Auxetic materials. J Aerosp Eng 221:565 575
Armstrong R, Spiller N (2011) Synthetic biology: living quarters. Nature 607:916 918
Arzt E, Gorb S, Spolenck R (2003) Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae.
Proc Natl Acad Sci U S A 100:10603 10606
Autumn K, Grovich N (2008) Gecko adhesion evolutionary nanotechnology. Philos
Trans R Soc 366:1575 1590
Bar-Cohen Y (ed) (2006) Biomimetics: biologically inspired technologies. Taylor &
Francis (CRC Press), Boca Raton Baumgartner W, Fidler F, Weth A, Habbecke M,
Jacob P, Butenweg C, Bohme W (2013)
Investigating the locomotion of the sandfish in desert sand using NMR-imaging. Plos
One 3(10):e 3309
Bay A, Cloetens P, Suhonen H, Polvigneron J (2013) Improved light extraction in the
bioluminescent lantern of a Photuris firefly (Lampyridae). Optics Express 21(1):764
Benyus JM (1997) Biomimicry: innovation inspired by nature. Morrow Publishers, New
York Berthe RA, Westhoff G, Blackmann H, Gorb SN (2009) Surface structure and
frictional properties
of the skin of the Amazon tree boa Corallus hortulanus (Squamata, Boidae). J Comp
Physiol A 195(3):311 318
Bruet BJF, Song J, Boyle MC, Ortiz C (2008) Materials design principles of ancient fish
armour. Nat Mater 7:748 756
Burns JN, Lenaghan SC, Zhang M, Stewart CN (2012) Nanoparticle biofabrication
using English ivy (Hedra helix). J Nanobiotechnol 10:41 50
Chawla KK (1996) Interfaces in metal matrix composites. Compos Interfaces 4(5):287
298
Contagal CH, Bachmann MH (2002) Advances in in-vivo bioluminescence imaging of
gene expression. Ann Rev Biomed Eng 4:235 260
Gather MC, Yun S-H (2011) Cellular lasers. Nat Photon 5:438 441
616
Geim AK, Dubonas SV, Grigoresa IV, Novoselov KS, Zhokos AA, Shapoval SY
(2003)
Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair. Nat Mater 2:461 463
Gibson LJ, Ashby MF (1982) The mechanics of three-dimensional cellular materials.
Proc R Soc
Lond A Math Phys Sci 383:43 59
Gibson DG, Glass JI, Latigue C, Naskov VN, Chuang RY, Agire MA, Benders GA,
Montague
MG, Ma L, Moodie MM, Merryman C, Vashee S, Krishna Kumar R, Asasad-Garcia N,
Andrews-Pfannkoch C, Denisova EA, Young L, Qi Z-O, Segall-Shapiro TH, Calvey
CH,
Pamar PP, Hutchison CA, Smith HO, Venter JC (2010) Creation of a bacterial cell
controlled
by a chemically synthesized genome. Science (published online 20 May
2010).(doi:10.1126/
science.1190719
Goeddel DV, Kleid DG, Boliver F, Heyneker HC, Yansura DG, Crea R, Hirose T,
Kraszewski A,
Itakura K, Riggs AD (1979) Expression in Escherichia coli of chemically synthesized
genes
for human insulin. Proc Natl Acad Sci U S A 76:106 110
Greaves G, Greer A, Lakes R, Rouxel and modern materials.
Nat Mater 10:823 837
Grima JN, Cassar RN, Gatt R (2009) On the effect of hydrostatic pressure on the
auxetic character of NAT-type silicates. J Non-Cryst Solids 355:1307 1312
Havlin S, Buldyrev SV, Goldberger AL, Mantegna RN, Ossadnik SM, Peng C-K,
Simons M,
Stanley HE (1995) Fractals in biology and medicine. Chaos Solut Fract 6:171 201
Hepburn HR, Ball A (1973) On the structure and mechanical properties of beetle shells.
J Mater
Sci 8:618 623
617
Hergenrother WL, Shultz LL, Lin CJ (2012) Keratin in rubber applications. US patent
application number 20120329916
Karthaus O (2013) Biomimetics in photonics. CRC Press (Taylor & Francis Group),
Boca Raton
Kim J-K, Mai Y-W (1998) Engineered interfaces in fiber reinforced composites.
Elsevier
Sciences, New York
Kim J-J, Lee Y, Kim HG, Choi K-J, Kweon H-S, Park S, Jeong K-H (2012)
Biologically inspired
LED lens from cuticular nanostructures of firefly lantern. Proc Natl Acad Sci USA
109(46):18674 18678
Kinoshita S, Yoshioka S, Miyazaki J (2008) Physics of structural colors. Rep Prog Phys
71:1 30
Klonowski W, Stepien R, Stepien P (2010) Simple fractal method of assessment of
histological
images for application in medical diagnostics. Nonlinear Biomed Phys 4:7 (8 p)
Lakes R (198
1040
Large M (ed) (2013) Optical biomimetics: materials and applications. Woodhead
Publishing,
Cambridge, UK
Lee H, Lee BP, Messersmith PB (2007) A reversible wet/dry adhesive inspired by
mussels and
geckos. Nature 448:338 341
Lewis SM, Cratsley CK (2008) Flash signal evolution, male choice, and predation in
fireflies. Ann
Rev Entomol 53:293 321
Lin AYM, Brunner R, Chen P-Y, Talke FE, Meyers MA (2009) Underwater adhesion
of abalone: the role of van der Waals and capillary forces. Acta Mater I57:4178 4185
Macia J, Posas F, Sole RV (2012) Distributed computation: the new wave of synthetic
biology devices. Trends Biotechnol 30(6):8 p
Mandelbrot BB (1982) The fractal geometry of nature. W.H. Freeman, New York
618
Mandelbrot BB (2012) The fractalist: memoir of a scientific maverick. Pantheon
Books/Random
House, New York
Martines E, Seunarine K, Morgan H, Gadegaard N, Wilkinson CDW, Richle O
(2005) Superhydrophobicity and superhydrophilicity of regular nanopatterns. Nano Lett
5:2097 2103
McNamara ME, Briggs DEG, Orr PJ, Nuh H, Cao H (2012) The original colors of fossil
beetles.
Proc Roy Soc B: Biol Sci 279(1731): 1114 1121
Meizer B, Steinbrecher T, Seidel R, Kraft O, Schwaiger R, Speck T (2010) The
attachment
Strategy of English ivy: a complex mechanism acting on several hierarchical levels. J R
Soc Interfaces 7:1387 1389
Meyers MA, Lin AYM, Seki Y, Chen P-Y, Kad BK, Bodde S (2006) Structural
biological composites: an overview. JOM 58(7):35 41
Parker AR, Lawrence CR (2001) Water capture by a desert beetle. Nature 414:33 34
Prawoto Y (2012) Seeing auxetic materials from the mechanics point of view: a
structural review
153
Prum RO, Torres R, Kokach C, Williamson S, Goodman SM (1999) Coherent light
scattering by nanostructured collagen arrays in the caruncles of the malagasy asities
(Eurylaimidae: ares).
J Exp Biol 202:3507 3522
Ralston E, Swain G (2011) Can biomimicry and bioinspiration provide solutions for
fouling control? Mar Technol Soc J 45:216 227
Rayneau-Kirkhope D, Mao Y, Farr R (2012) Ultralight fractal structures from hollow
tubes. Phys Rev Lett 109:20430
Schmitz H, Murtz M, Blackmann H (1997) Infrared detection in a beetle. Nature
386(6627): 773 774
Seago AE, Brady P, Vigneron J-P, Shultz TD (2009) Gold bugs and beyond: a review
of iridescence and structural color mechanisms in beetles (Coleoptera). J R Soc
Interface 6: S165 S184
619
Shimomura M (2010) The new trends in next generation biomimetics material
technology: learning from biodiversity. Quart Rev 37:53 75
Tsujii K (2009) Superhydrophobicity and superhydrophilicity: mechanism and
application.
Yuneda Publishing, Tokyo Watanabe K, Hoshino T, Kanda K, Haruyama Y, Matsai S
(2005) Fabrication of Morphobutterfly- scale quasistructure by focused ion beam
chemical vapor deposition. J Appl Phys 44:L48 L60
Wilson SJ, Hutley MC (1982) The optical properties of moth eye antireflection surfaces.
J Mod Opt 29(7):993 1009
Yang W, Zhong-Ming L, Shi W, Xie B, Yang W-B (2004) Review on auxetic materials.
J Mater Sci 39:3269 3279
Youngquist JA, English BE, Scharmer RC, Chow P, Shook SR (1994) Literature review
on use of nonwood plant fibers for building materials and panels. U.S. Department of
Agriculture, Forest Products Laboratory general technical report FPL-GTR-80
Yu J, Chary S, Das S, Tameller J, Pevika NS, Turner KL, Israelachvilli JN (2001)
Gecko-inspired dry adhesive for robotic applications. Adv Funct Mater 21(16):3010
3018
Yurdumankan B, Raravikar NR, Ajayan PM, Dhinojwala A (2005) Synthetic gecko
foot-hairs
from multiwall carbon nanotubes. Chem Comm 5(30): 3799-3801
Zhao J, Wang A, Campbell P, Green MA (1999) 19.8% efficient honeycomb
multicrystalline silicon solar cell with improved light trapping. IEEE Trans Electron
Devices 46(10):
1978 1983
620
Bagian X
Biomaterial
621
Strategi Penggantian Tulang dan Jaringan Augmentasi
(Strategies for Bone Replacement and Tissue Augmentation)
Isi
Pengantar 621
Bionik Tulang dan Tulang Struktur (Bionics of Bone and Bone Structures) 623
Material Biodegradabel Biomedis dan Aplikasinya 625
Aplikasi Biomedikal berbahan shape memory 632
Aplikasi Biomedikal dalam Struktur Auxetic 638
Referenrensi 640
Abstrak
Berikut ini uraian singkat dan review hydroxyapatite-reinforced polymeric dan sistem
terkait untuk strategi penggantian tulang, penggunaan biodegrade-able logam dan
polimer dibahas sebagai sistem pendukung tulang sementara memungkinkan
pertumbuhan kembali tulang dan penyembuhan, termasuk sekrup. Penggunaan bahan-
bahan ini untuk berbagai stent nonpermanent dijelaskan dalam konteks struktur stent
novel, termasuk bentuk bahan memori dan fabrikasi auxetic struktur untuk mencapai
bentuk stent.
Pengantar
Bab ini dimulai dengan garis besar upaya untuk menciptakan rezim material yang
diperlukan untuk memfasilitasi perbaikan dan penggantian jaringan tulang dalam
keadaan dimana perbaikan yang biasanya sulit dilakukan. Seperti dibahas di Bagian VII,
622
bab "Komposit Eutektik", tulangnya adalah komposit untai kolagen (protein) dan
hidroksiapatit yang terbentuk kekuatan sebagai konsekuensi dari modulus elastisit asnya
yang tinggi namun tetap memungkinkan untuk lentur dari untaian kolagen.
Dalam kasus di mana patah tulang memerlukan stabilisasi untuk memungkinkan
penyembuhan dengan pertumbuhan kembali jaringan tulang, kuat dalam penempatan,
dan struktur kaku dan penggunaan sekrup pengancing yang dapat difasilitasi dengan
menggunakan bahan biodegradable yang bereaksi dan dilarutkan ke dalam tubuh
setelah tulang sembuh; Pelat magnesium, batang, dan sekrup beserta paduan magnesium
yang sesuai telah digunakan secara klinis selama beberapa dekade. Bahan-bahan ini
diperkuat oleh berbagai bahan polimer biodegradable, karena kekuatannya yang lebih
rendah maka tidak bisa diandalkan atau bisa diterapkan pada logam ringan dan paduan
seperti magnesium dan paduannya. Meskipun demikian, biodegradable bahan polimer
bersama dengan magnesium dan paduannya digunakan efektif dalam struktur stent yang
dimaksudkan bersifat untuk sementara, memiliki beberapa utilitas medis hanya terjadi
sampai penyembuhan jaringan terpasang.
Dalam kasus bahan stent permanen, paduan shape memory berguna dalam
mempengaruhi beberapa fungsi yang tepat dan diperluas, dan fungsi biomedis lainnya
juga dicapai dengan menggunakan paduan shape memory, termasuk kawat gigi dan
sejenisnya. Sementara itu panas dapat mempengaruhi shape memory perangkat dalam
biomedis, penggunaan struktur auxetic dalam stent atau stent design dapat
memungkinkan bentuk fitur yang bisa dicapai melalui tegangan sederhana aplikasi
seperti menarik stent setelah dipasang di beberapa saluran jaringan.
Contoh-contoh ini mewakili beberapa aplikasi material terbaru dan struktur
material di tempat biologis dan biomedis, terutama yang melibatkan kesehatan manusia
dan kualitas masalah kehidupan.
Seperti dicatat pada awal Bagian VIII, biomaterial mencakup berbagai macam
bahan dan sistem material, termasuk komposit serta inovasi material yang meniru sistem
biologis dan yang telah diterapkan dalam keterkaitan situasi biomedis. Bab ini dimulai
623
dengan pengganti tulang atau pergantian yang meliputi sistem biodegradable, meskipun
begitu luas bahan biomedis biodegradable namun dalam pengaplikasiannya hal ini
mencakup area yang terpisah dan daerah yang melibatkan biomaterial.
Tulang pada Bionik dan strukturnya (bionics of bone and bone
Structures)
Seperti disebutkan dalam Bab "Contoh Komposit Alam dan Struktur Komposit
"(Gambar 1), tulang adalah komposit viskoelastik yang mampu memperbaiki diri. Sifat
mekanisnya terutama bergantung pada porositas kortikal, ukuran dan distribusi kristal
hidroksiapatit (HA) dalam fibril kolagen, dan kehadirannya dan distribusi microcracks.
Struktur Kristal HA memberikan kompresi kekuatan dan kerapuhan, sedangkan matriks
kolagen fibril memberikan ketangguhan dan kekuatan tarik.
Dalam dekade terakhir, perbaikan jaringan tulang menyumbang sekitar 0,5 juta
prosedur operasi per tahun di Amerika Serikat (Geiger dkk 2003). Sementara
mekanisme perbaikan alami yang melibatkan angiogenesis, osteogenesis, dan
penyembuhan luka kronis terjadi di dalam tubuh, ada keadaan dimana regenerasi
jaringan tidak bisa di atasi dalam proses penyembuhan dan memerlukan intervensi
klinis dengan menggunakan biomaterial atau pengganti tulang yang memungkinkan
perancah berpori sementara atau permanen dengan perangkat yang mengurangi ukuran
cacat dan meningkatkan penyembuhan melalui penciptaan jaringan baru. Dalam hal ini,
pengganti tulang yang optimal melibatkan perangkat atau rezim sifat mekanik dan
biologis yang serupa, yaitu komposit kolagen-HA. Kolagen Bisa diekstraksi dari
beragam rezim jaringan, termasuk hewan, sementara HA bisa diekstraksi dari tulang,
terutama tulang korteks sapi, atau didapat komersial dengan ukuran kristal terkontrol
yang berbeda (Wahl dan Czernuszka 2006)
Xu dkk. (2012) telah mengembangkan teknologi untuk memproduksi komposit
tulang dari ikan sisik dan HA, sisik ikan yang menyediakan matriks kolagen. Metode
yang digunakan untuk membuat pengganti tulang termasuk metode replika spons yang
diproduksi struktur interkoneksi yang sangat berpori yang meniru tulang cancellous atau
624
electrospinning untuk menghasilkan perancah berserat atau kombinasi (Kim dan Lee
2011).
Selain HA (Ca10 CaPO4)6 (OH)2), trikalsium fosfat (TCP: Ca3 (PO4)2) dan
kalsium biphassium fosfat, BCP, campuran HA dan TCP, adalah Bahan pengganti
tulang biasa yang sering diperkuat oleh zirconia (ZrO2). Polimer berbasis biomaterial
juga banyak digunakan. Ini termasuk polymethyl methacrylate (PMMA) dan
polycaprolactone (PCL): PMMA- Perancah PLC-HA atau ZrO2 / BCP yang dibungkus
dengan serat PMMA-PCL HA-loaded, dll. W. Bonfield dan rekannya juga mempelopori
penggunaan HA-reinforced highdensity komposit polietilen (HA / HDPE) pada tahun
1980an namun ditemukan tidak sesuai untuk persyaratan bantalan beban (Bonfield dkk
1981; Wang dan Bonfield 2001). Baru-baru ini, Shen dkk. (2011) telah menunjukkan
potensinya Komposit HA / Vectra A950 (HA / VA) yang dibuat dengan ekstrusi dan
injeksi sekrup kembar molding sebagai pengganti tulang biomaterial karena VA (sebuah
kopolimer phydroxybenzoic asam dan termotropik komersial asam 6-hidroksi-2-
naphthoic polimer kristal cair) memiliki modulus, kekuatan, dan regangan tarik pada
saat istirahat masing-masing 10,6 GPa, 0,18 GPa, dan 3,4%,. Hal ini berbeda dengan
tulang kortikal dengan sebuah modulus antara ~ 10 dan 30 GPa, kekuatan 0,05-0,15
GPa, dan regangan istirahat sekitar 1-3%. Asam poliakrilat (PAA) juga ditambahkan ke
komposit ini untuk memperbaiki adhesi Interfacial.
Penciptaan pengganti tulang yang spesifik dan konfigurasi perancah yang
menjanjikan baru-baru ini diuntungkan melalui penggunaan pencetakan 3D atau solid
freeform fabrication (SFF) yang dijelaskan secara rinci dalam Bagian XI (Hufmacher
dkk 2004). Teknik ini memiliki kemampuan untuk membuat prototip spesifik pasien
menggunakan CT pemindaian dan pemodelan CAD (computer-aided design) (desain
berbantuan komputer), yang memungkinkan bahkan kolagen-HA perancah diproduksi
dengan cara mengendalikan variabel dengan skala panjang. Sayangnya, struktur
prototipe biokomposit SFF secara signifikan berbeda dengan struktur hirarkis tulang
alami yang nanosized HA dan serat kolagen yang sangat berorientasi pada skala nano
(seperti yang tersirat dalam Gambar 2 inci Bab "Contoh Komposit Alam dan Struktur
Komposit"). Didalam konteks, Shen dkk. (2011) baru-baru ini menyimpulkan bahwa
"Oleh karena itu, tidak ada banyak kemajuan dalam mengembangkan komposit matriks
polimer untuk penggantian beban bantalan tulang, dan logam yang mungkin masih
625
menjadi yang terbaik saat ini. "Implan logam akan terjadi dibahas nanti di bab "Bahan
dan Struktur Implant."
Material Biomedis Biodegradable dan Aplikasinya (Biodegradable
Biomedical Materials and Applications)
Biodegradable (biomedis) aplikasi implan ortopedi selama proses penyembuhan dalam
tubuh manusia telah melibatkan jahitan dan jahitan jangkar, sekrup, staples, pinset, dan
batang untuk mendukung area yang lemah atau retak, terutama yang melibatkan cedera
tulang atau osteoporosis. Magnesium, magnesium alloy, dan bahan polimer (baik alami
maupun sintetis) membentuk biodegradable yang lebih penting bahan. Paduan
magnesium dan magnesium memberikan kekuatan mekanik yang lebih tinggi dan
kekakuan yang mungkin sangat penting dalam prosedur ortopedi di mana beban tinggi
dilibatkan Di sisi lain, polimer yang dapat terdegradasi sangat banyak efektif untuk
enkapsulasi obat untuk pelepasan terkontrol dalam tubuh. Salah satu yang pertama
Penggunaan material biodegradable yang direkam menggunakan penggunaan kabel
magnesium sebagai ligatures untuk menghentikan perdarahan pembuluh darah seperti
yang dijelaskan pada kertas 1878 oleh Edward C. Huse (1878). Huse sebenarnya
mengamati bahwa degradasi lengkap (atau pembubaran) Mg kawat tergantung pada
diameter kawat
Jahitan juga merupakan salah satu aplikasi Serat polimer biodegradable paling
awal seperti catgut (serat alami di dinding usus hewan) yang digunakan oleh orang
romawi, tapi dengan mengorbankan respon inflamasi. Bahkan sebelumnya ada bukti
jahitan bedah menggunakan serat rami rami, dan kapas menyebar sampai sekitar 3.000
SM di Mesir. Sejalan dengan itu jahitan polimer sintetis biodegradable pertama, poli
(asam glikolat), adalah disetujui pada tahun 1969, sedangkan poli (asam laktat), polimer
jahitan yang lebih baik, adalah disetujui pada tahun 1972. Polydioxanone dikembangkan
pada tahun 1980 untuk biodegradable jahitan dan pin tulang, sementara sistem
pengiriman obat implan polianhidrida dikembangkan sekitar tahun 1996.
626
Bahan biodegradable memiliki keuntungan karena tidak harus dilepas Setelah
mencapai tujuannya, produk degradasi dimetabolisme atau diekskresikan dalam kasus
enkapsulasi polimer, strategi pelepasan obat yang efektif dapat terjadi saat penghapusan
perangkat atau peralatan nondegradable yang akan meningkatkan biayanya dan risiko
morbiditas. Selain itu, implan jangka panjang bisa menimbulkan komplikasi, termasuk
infeksi atau kegagalan mekanis yang biasanya memerlukan perbaikan operasi. Dalam
rekayasa jaringan, polimer biodegradable dapat dirancang Perkiraan jaringan,
menyediakan perancah polimer yang bisa menahan mekanik menekankan dan
menyediakan fitur permukaan sel yang sesuai untuk pertumbuhan dan menurunkan pada
tingkat yang memungkinkan beban dipindahkan ke jaringan baru. Dalam hal ini,
perangkat polimer biodegradable juga menghilangkan masalah perisai tegangan yang
melibatkan tulang karena modulus Young mereka sering kompatibel dengan tulang.
Gambar 1 mengilustrasikan stent polimer dan sekrup biodegradable dan aplikasi
bagiannya. Stent sering digunakan untuk memungkinkan pembuluh darah yang rusak
untuk sembuh dan berada disisipkan melalui lubang alami atau bedah. Degradasi
perangkat meniadakan harus mengambilnya kembali sekrup polimer biodegradable di
tulang penyembuhan (Gambar 1b) menunjukkan keuntungan yang sama dan biarkan
tulang mempertahankan fungsinya secara lebih alami.
Di antara polimer biodegradable, poliester alifatik [poli (asam hidroksil) s]
seperti poli (asam laktat) atau polilaktida (PLA), poli (asam glikolat) atau poliglikidida
(PGA), dan poli (e-kaprolakton) (PCL) dan kopolimernya secara mencolok digunakan
pada perangkat implan (Gambar 1). Gambar 2 menunjukkan struktur mereka monomer
(Ohya dkk 2011).
627
Menurunkan polimer terutama dengan mekanisme hidrolisis dan oksidasi. Hidrolisis
adalah reaksi orde kedua yang bergantung pada konsentrasi ikatan rentan dan air, yang
sebagian larut dalam banyak polimer. Oksigen menghancurkan polimer rantai dan juga
bisa bereaksi dalam bentuk spesies oksidatif lainnya seperti peroksida atau radikal
bebas. Enzim alami yang diproduksi oleh tubuh juga dapat mengkatalisis reaksi ini.
Selain itu, sel-sel inflamasi yang bermigrasi ke tempat implan dapat diproduksi
peroksida. Dalam beberapa kasus, hidrolisis dan oksidasi dapat bekerja secara simultan
dan mungkin sebenarnya saling menguatkan.
Gambar. 1 Contoh perangkat dan aplikasi biomedis polimer biodegradable. (a) Degradable fiksasi ikatan sekrup polimer. (b) sekrup inferensial yang terbuat dari poli matriks polimer (asam laktat) dengan penambahan hidroksiapatit. (c) stent eluting obat arteri yang terdiri dari PLLA yang dapat terurai (poly-Llactic asam) dengan lapisan poli-D, L-lactide bioabsorbable yang mengendalikan pelepasannya obat antiproliferatif, everolimus (koleksi dari Laboratorium Abbott)
628
Seperti yang dijelaskan dalam sejarah singkat implan magnesium biodegradable
oleh Frank Witte (2010), penggunaan magnesium untuk aplikasi biomedis dimulai
segera setelahnya penemuannya adalah Sir Humphry Davy pada tahun 1808. Seperti
dicatat sebelumnya, kabel ligatur berada di antara aplikasi biomedis pertama yang
diikuti oleh tabung untuk koneksi kapal dan poros, pelat, dan sekrup untuk
perlengkapan tulang. Selama dekade terakhir, cardiovascular magnesium alloy stents
mirip dengan yang ditunjukkan secara konseptual pada Gambar 1 yang telah digunakan
dimana temporary stents diperlukan dalam membantu arteri remodeling dan
penyembuhan yang berbeda dengan paduan stent metalik permanen yang biasanya
dibuat dari stainless steel tipe 316 (Morevej dan Mantovani 2011).
Stent metal biodegradable pertama kali dibuat dari besi Armco dan ditanam di aorta
kelinci pada tahun 2001 (Peuster dkk 2001), sementara yang paling kontemporer Stent
magnesium alloy adalah yang dilapisi dengan polimer biodegradable seperti PLA yang
terkontrol tingkat biodegradasi metaliknya.
Umumnya magnesium dan paduannya memiliki kerapatan rendah (sekitar 2 g /
cm3, yaitu ~ 1/3 padat seperti paduan Ti dan 1/2 setebal baja tahan karat atau paduan
Co-Cr) dan Modulus elastis yang hampir sesuai dengan tulang korteks: E ~12 GPa
untuk Mg murni untuk 38 GPa untuk paduan Mg. Akibatnya, penggunaan paduan Mg
Gambar. 2 Monomer siklik dari alifatik biodegradable poliester polimer
629
dan Mg biodegradable (mengandung unsur yang Umumnya magnesium dan paduannya
memiliki kerapatan rendah (sekitar 2 g / cm3, yaitu ~ 1/3 padat seperti paduan Ti dan
1/2 setebal baja tahan karat atau paduan Co-Cr) dan Modulus elastis yang hampir sesuai
dengan tulang korteks: E ~12 GPa untuk Mg murni untuk 38 GPa untuk paduan Mg.
Akibatnya, penggunaan paduan Mg dan Mg biodegradable (mengandung sedikit unsur
tanah dan unsur logam lainnya termasuk Li, Zr, Ca, Zn, dan Al) dalam aplikasi implan
tulang biodegradable adalah biomedis utama area material (Gambar 3). Gambar 3
menunjukkan implan Mg yang kompleks dan mudah terurai terdiri dari sekrup dan
peelat. Lithium in Mg meningkatkan daktilitas, sedangkan Zr berfungsi sebagai agen
penyulingan gandum yang efektif. Penambahan lithium juga mengubah kristal struktur
dari Mg-hcp ke bcc. Tabel 1 mengilustrasikan beberapa biodegradable utama dan
komposisi paduan Mg dan aplikasi utamanya.
Paduan magnesium terdegradasi oleh korosi dalam regimen berair oleh beberapa
Reaksi reduksi-oksidasi yang dipengaruhi oleh unsur paduan. Itu reaksi sel-setengah
yang umum terjadi:
Mg (solid) + 2H2 2(solid) + H2 (gas) (1)
Menyumbang reaksi setengah-sel yang meliputi:
Mg ( g2+ (aqueous) + 2e (oxidation reduction) (2)
630
Gambar. 3 Contoh kompleks paduan magnesium biodegradable (Mg-Ca) implant (Sinar-X). Operasi kedua untuk menghapus sistem implant yang tidak akan diperlukan setelah regenerasi tulang dan pembubaran implan (koleksi dari Helmholtz Zentrum Geesthacht, Jerman)
Tabel 1 Paduan magnesium biodegradable yang umum dan aplikasi biomedisnya
a Berdasarkan data dari Razavi dkk. (2012) b RE unsur tanah yang langka: Nd, Ho, Er, Lu, Tb, Tm
631
2H2 2 (gas) + 2OH (aqueous: reduction reaction) (3)
Mg2+2 (solid) (4)
Atau
Mg+ + H2+ +OH + H2 (gas) (5)
Dengan Zn sebagai bahan paduan, reaksi tambahan berikut akan menjadi:
Zn + 2H2 2 + H2 (6)
Zn + Zn2+ (aqueous) + 2e (oxidation reaction) (7)
Mg + Zn2+ 2+ (aqueous) (8)
Dapat dicatat bahwa reaksi Mg menghasilkan gas hidrogen, namun penambahan Zn
cenderung meningkat mengurangi emisi gas hidrogen secara signifikan. Sedangkan
pada beberapa aplikasi dan di keadaan dimana emisi gas hidrogen dapat meningkat
akibat kenaikan laju dari biodegradasi (korosi), beberapa rongga gas subkutan dapat
terbentuk dan dalam kasus ini kebanyakan pasien tidak mengalami rasa sakit atau
infeksi. Dalam kasus stent arteri, evolusi gas hidrogen terbawa dalam aliran darah, dan
seperti terdata, lapisan polimer biodegradable dapat mengendalikan emisi hidrogen
dengan mengurangi laju korosi stent paduan Mg. Hornberger dkk. (2012) baru-baru ini
hal lainnya juga dibahas pada lapisan biomedis yang terdapat pada paduan magnesium
seperti kalsium fosfat.
Magnesium dan paduan magnesium tidak beracun karena jaringan relatif kaya
akan magnesium dan konsentrasi Mg yang relatif besar yang dapat ditoleransi oleh
tubuh.
632
Aplikasi Biomedikal pada Bahan Memori Bentuk (Biomedical Applications
of Shape Memory Materials)
Material dapat kembali bentuk aslinya setelah mengalami kerusakan parah dan kuasi-
plastis cacat atau terdistorsi saat mengalami stimulus terapan, seperti panas atau cahaya
yang disebut sebagai shape memory materials, atau bahan cerdas, karena berlaku
"Ingat" bentuk aslinya. Fenomena ini dikenal sebagai bentuk memori efek dan telah
diamati di sejumlah sistem material, termasuk paduan, polimer, dan keramik (Huang
dkk 2010; Otsuka dan Wayman 1998).
Polimer dengan shape memory effect properties disebut shape memory polimer.
Polimer umum seperti polimetil metakrilat (PMMA) efek memori bentuk panas-
responsive seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4. Seperti ditunjukkan pada Gambar
4a, sepotong persegi panjang PMMA dipanaskan di atas suhu transisi gelasnya (Tg) dan
berubah bentuk ke bentuk yang ditunjukkan pada Gambar. 60b bab "Ikatan Kimia:
Nanopartikel, "setelah itu dingin di bawah Tg. Pemanasan bentuk yang didinginkan
pada Gambar 4b dan kembali lagi di atas Tg untuk memprovokasi efek gerak micro-
Brownian yang memungkinkan bentuk PMMA-terdistorsi untuk kembali ke bentuk
aslinya seperti ditunjukkan pada Gambar 4c.
633
Efek serupa diamati pada Gambar. 60d-f Bab "Ikatan Kimia: Nanopartikel "untuk
poliuretan (PU), namun shape memory effect ini terjadi karena struktur terdiri dari dua
komponen domain: komponen elastis permanen dan komponen transisi yang mampu
mengubah kekakuannya secara signifikan. Ini menghasilkan struktur segmen keras /
lunak yang merespons pemanasan, mirip dengan PMMA pada Gambar 4a-c. Transisi
yang sulit dilacak ini juga merupakan ciri metal alloy shape memory effect.
Sementara itu bisa diasumsikan bahwa polimer memori berbentuk seperti itu
Diwakili pada Gambar 4 dapat dibuat sebagai perangkat stent permanen, alifatik
polimer yang ditunjukkan pada Gambar 2 juga menunjukkan fenomena
thermoresponsive shape memory. Ini adalah memori bentuk yang dapat terurai secara
Gambar. 4 Shape memory effect pada polimetil metakrilat termoresponsif (PMMA) (a-c) dan poliuretan (PU) (d-f). Struktur molekul yang sesuai juga diilustrasikan (Contoh Diadaptasi dari Profesor Wei Min Huang, Nanyang Technological University (Singapura))
634
hayati dan fungsional polimer memori bentuk akan dapat memiliki aplikasi yang jelas
untuk vaskularisasi diri alat koroner, terutama pada perawatan endovaskular aneurisma.
Ada juga berbagai aplikasi di tekstil medis serta terkait aplikasi tekstil di mana
berbagai kain dan bahkan komposit kain dapat disusun menjadi shape memory polymer
fibers (Hu 2007). Sejalan dengan itu, shape memory polymers dan polymer fabrics
dapat memiliki berbagai aplikasi nonmedis lainnya.
Indikasi awal dari efek shape memory pada sistem paduan dicatat di tahun 1930an
dalam paduan biner Au-Cd dan kemudian di paduan Cu-Zn (Otsuka dan Wayman
1998), sedangkan perilaku thermoelastic menonjol dari martensit-ke-austenitik
perubahan fasa diilustrasikan oleh Buehler dan rekan kerja di US Naval Ordnance
Laboratorium sekitar tahun 1963 (Buehler dkk 1963). Ini melibatkan Ni-Ti yang bersifat
equiatom yang diberi nama nitinol (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory).
Paduan ini ditemukan biokompatibel, dan ini pertama kali digunakan dalam aplikasi
biomedis di tahun 1970 termasuk eksperimental implan ortopedi dan beberapa Aplikasi
orthodontik (Yahia 2011). Ni Ti dan paduan lainnya yang lebih baru menunjukkan apa
yang disebut superelastisitas dan efek shape memory yang hanya melibatkan suhu atau
tegangan.
Dalam paduan logam, efek shape memory melibatkan transisi fase kristal
sebuah efek thermoelastic. fase induk disebut sebagai austenit (karakteristik dari baja
konvensional). Seperti baja, transisi fase austenit ke martensit adalah fase tanpa difusi.
Pada paduan Ni-Ti, austenite adalah bcc, sedangkan martensit adalah monoklinik;
berbeda dengan baja dimana austenite adalah fcc dan martensite adalah bcc (atau bct,
berpusat pada tubuh tetragonal). Berbeda dengan baja (yang tidak menunjukkan sebuah
efek shape memory), yang hanya dapat menunjukkan tegangan plastik yang dapat
dipulihkan p sampai ~ 0,5%, paduan shape memory seperti Ni-Ti menunjukkan strain
yang dapat dipulihkan maksimum tanpa kerusakan permanen sampai ~ 8%, lebih dari
10 kali lebih besar.
Ketika Ni-Ti (NiTi) didinginkan, austenit berubah menjadi martensit (transisi
yang sulit dilembutkan). Suhu di mana transisi ini dimulai disebut martensit suhu awal
(Ms). Sejalan dengan itu, saat martensit NiTi dipanaskan, hal itu mulai berubah menjadi
635
austenit pada suhu awal austenit, As. Suhu di mana transisi fase martensit-ke-austenit
akhir disebut suhu akhir austenit, Af. Dalam arah sebaliknya, martensit selesai pada
suhu M f. Kisaran suhu untuk transformasi martensit-ke-austenit akan terjadi pada
pemanasan yang sedikit lebih tinggi dari pada transformasi austenit-tomartensit pada
pendinginan Hal ini efek khas dari hysteresis seperti yang diilustrasikan pada Gambar
5a, yang juga menunjukkan austenit dan martensit yang sesuai struktur kristal fitur
mikroskopis dari transformasi efek shape memory ini diilustrasikan secara skematis
pada Gambar 5b: austenit pada (1) didinginkan untuk membentuk martensit kembar
pada (2) tanpa mengalami perubahan bentuk. Deformasi (geser) dari bidang kembar
menghasilkan martensit yang cacat pada (3) yang menjadi ciri sebuah perubahan
bentuk. Ini pulih dari (3) sampai (1) pada Gambar 5b. Bentuk pemulihan ini sesuai
dengan Af pada Gambar 5a, dan bentuknya sesekali telah pulih pada Af, di sana tidak
ada perubahan bentuk saat spesimen didinginkan di bawah M f dan shape memory dapat
diaktifkan kembali hanya dengan mengganti bahan martensitiknya lagi. Ini adalah
sebuah kejadian hanya satu kali saja yang sering disebut sebagai one-way shape memory
effect (efek memori bentuk satu arah). Dalam prakteknya, histeresis yang ditunjukkan
pada Gambar 5a berarti paduan yang dirancang benar-benar ditransformasikan oleh
suhu tubuh (Af <37o C) akan membutuhkan pendinginan ~5o C untuk mentransformasi
ulang sepenuhnya menjadi martensit pada M f.
Material pada fase martensit 20-70 GPa 0.05-0.3 GPa),
sedangkan f 70- y 0,1-0,8
GPa). Tegangan martensit yang diinduksi adalah superelastis dan dapat dengan mudah
cacat atau berbentuk. Peralihan berulang bentuk efek memori dapat menyebabkan
sebuah pergeseran suhu transformasi, M f dan Af, sebuah fenomena yang dikenal sebagai
kelelahan fungsional.
Selain NiTi (55/45), ada kira-kira selusin lainnya atau yang lebih perbedaan biner,
terner, dan paduan kuartener memori bentuk: Ag-Cd (44/49%), Cu-Zn (Ni-Ti-Cu, Ti-
Pd-Ni, Ni-Fe-Zn-Al, dll. Namun, hanya NiTi yang biokompatibel dalam jangka
panjang. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 6, NiTi (nitinol) digunakan dalam
banyak aplikasi stent dimana stent (sering didinginkan sebelum penyisipan) hal itu yang
636
terkandung dalam kateter, dalam aplikasi yang melibatkan saluran arteri kompleks,
diposisikan oleh kabel pemandu. Aplikasi serupa termasuk saluran tubuh lainnya
termasuk sistem kerongkongan, trakea, dan empedu dan saluran kemih. Panas tubuh
mengaktifkan perangkat ini Dalam beberapa kasus, pemanasan induktif digunakan.
Gambar. 5 Martensitic transformasi histeresis (a) dan mikroskopis transformasi dari fase austenit ke fase martensit mencirikan bentuk efek memori untuk NiTi (b). Keadaan pemanasan yang baik (kembarnya martensit atau cacatnya martensit) akan mengembalikan struktur austenit ke bantuk asli. Dimulai pada suhu martensit M s, selesai pada suhu martensit Mf, singkatnya AS adalah transformasi terbalik dari martensit, Af adalah akhir dari transformasi terbalik dari martensit
637
Bentuk kawat shape memory NiTi juga digunakan sebagai perangkat fiksasi pada
osteotomy dalam operasi ortopedi di mana staples melekat pada setiap bagian tulang
yang setelah diaktivasi oleh suhu tubuh, digunakan gaya konstan untuk menarik kedua
bagian tersebut bersamaan untuk membantu proses penyembuhan. Aplikasi serupa
digunakan secara klinis orthodonsi dimana kabel superelastik ini digunakan untuk
menerapkan koreksi perbaikan memaksa gigi yang tidak sejajar (Thompson 2000).
Berbagai bentuk dan sifat (bisa termasuk hal yang lain paduan memori bentuk non-
biokompatibel yang disebutkan di atas) material efek memori bentuk menyediakan
berbagai macam aplikasi non-biomedis. Ini termasuk sirkuit pemutus listrik, penyiram
api, bingkai kacamata, antena telepon genggam, termostat, dan struktur bentuk memori
lainnya yang berhubungan dengan efek memori.
Meski beberapa bahan keramik, seperti struktur zirkonia tertentu (ZrO2)
menunjukkan karakteristik transisi martensit dari bahan efek memori bentuk, ini tidak
menunjukkan aplikasi biomedis yang menonjol. Transformasi struktur kristal
Tetragonal-ke-monoklinik di ZrO2 terjadi saat transisi fase martensit diinduksi termal
atau dengan aplikasi stres. Ini disebut keramik martensitik. Itu Peralihan kembali dari
Gambar. 6 stent komersial NiTi. Sebuah stent, baik dalam hubungannya dengan pelebaran balon atau hanya dengan bentuk efek memori diri ekspansi, dapat melebarkan atau mendukung arteri yang tersumbat atau melemah atau saluran jaringan dalam tubuh. Jutaan stent yang diwakili di sini digunakan untuk perbaikan pembuluh darah atau penggantian setiap tahun di Amerika Serikatdi Amerika Serikat
638
monoklinik ke tetragonal dapat terjadi secara thermoelastik, menunjukkan efek memori
bentuk thermoresponsif.
Aplikasi Biomedikal Dalam Struktur Auxetic (Biomedical Applications of
Auxetic Structures)
Saat memeriksa Gambar. 16b-d di bab "Biomimetik dan Material Terinspirasi secara
Biologis "dan Gambar 1 serta Gambar 6 di atas, menjadi mudah terlihat bahan dan
struktur auxetic juga bisa memiliki aplikasi biomedis penting dalam arti sempit struktur
rasio Poisson negatif atau dalam beberapa kombinasi baru dari bahan efek memori
bentuk biodegradable. Seperti implisit pada Gambar 7, struktur stent auxetic dapat
memiliki aplikasi gabungan ini, sementara bahan polimer auxetic yang berfungsi
sebagai pembuluh darah buatan akan meningkat pada ketebalan dinding sebagai respons
terhadap denyutan aliran darah dan mengurangi prospek untuk akhirnya pecah sebagai
akibat dari penipisan dinding (Evans dan Alderson 2000). Filamen atau benang Auxetic,
terutama bahan polimer yang memiliki fitur auxetic molekul yang diilustrasikan secara
konseptual di Gambar. 17 di Bab "Biomimetik dan Bahan Terinspirasi Biologis", bisa
terbentuk cerdas (atau pintar) untuk mengurangi tekanan pakaian atau membuat perban
khusus atau bantalan tekanan luka.
639
Carrie Bakker (2011) baru-baru ini meneliti kemungkinan baru menggunakan ratio
cakram intervertebralis Poisson negatif buatan untuk menggantikan cakram tulang
belakang yang merosot memungkinkan beberapa rentang gerak yang memungkinkan
disk alami dan mencegah gangguan dengan saraf sekitarnya karena kurang menonjol
saat dikompres. Satu Mekanisme yang melibatkan kompresi density-medium busa
polyurethane untuk menciptakan rasio Poisson negatif. Seperti yang diilustrasikan pada
Gambar 4d-f, poliuretan bisa juga memiliki bentuk efek thermoresponsive memory.
Gambar. 7 Perbandingan sebuah bentuk stent memori (a) dengan stent struktur auxetic (b)
640
Referensi
Baker CE (2011) Auxetic spinal implants: consideration of negativ
the design of artificial intravertebral disc. MS Thesis, University of Toledo, Bioengr
Bonfield W, Grynpas M, Tully A, Bowman J, Abram J (1981) Hydroxy apatite
reinforced polyethylene a mechanically compatible implant material for bone
replacement. Biomaterials 2(3):185
Buehler WJ, Gilfrich JW, Wiley RC (1963) Effects of low temperature phase changes
on the mechanical properties of alloys near composition TiNi. J Appl Phys 34:475 480
Evans KE, Alderson A (2000) Auxetic materials: functional materials and structures
from lateral thinking. Adv Mater 12:617 628
Geiger M, Li RH, Friess W (2003) Collagen sponges for bone regeneration with
rhBMP-2. Adv Drug Deliv Rev 55:1613 1629
Hornberger H, Virtanen S, Boccaccini AR (2012) Biomedical coatings on magnesium
alloys a review. Acta Biomater 8:2442 2455
Hu J (2007) Shape memory polymers and textiles. Woodhead Publishing, London
Huang WM, Ding Z, Wang CC, Wei J, Zhao Y, Purnawali H (2010) Shape memory
materials. Mater Today 13:54 61
Hufmacher DW, Sittinger M, Risbud MV (2004) Scaffold-based tissue engineering:
rationale for computer-aided design and solid free-form fabrication systems. Trends
Biotechnol 22:354 362
Huse EC (1878) A new ligature? Chicago Med J Exam 172:2
Kim Y-H, Lee B-T (2011) Novel approach to the fabrication of an artificial small bone
using a combination of sponge replica and electrospinning methods. Sci Technol Adv
Mater 12:1 7
Morevej M, Mantovani D (2011) Biodegradable metals for cardiovascular stent
application: interests and opportunities. Int J Mol Sci 12(7):4250 4270
Ohya Y, Takahashi A, Nagahama K (2011) Biodegradable polymeric assemblies for
biomedical materials. Adv Polym Sci 247:65 114
Otsuka K, Wayman CM (1998) Shape memory materials. Cambridge University Press,
Cambridge, UK
641
Peuster M, Wohlsein P, Brugmann M, Ehlerding M, Seidler K, Fink C, Brauer H,
Fischer A, Haasdorf GA (2001) A novel approach to temporary stenting: degradable
cardiovascular stents produced from corrodible metal results 6 18 months after
implantation into New Zealand white rabbits. Heart 86:563 569, 370
Razavi M, Fethi M, Savabi O, Boroni M (2012) A review of degradation properties of
Mg based biodegradable implants. Res Rev Mater Sci Chem 1(1):15 58
Shen D, Fang L, Chen X, Tang Y (2011) Structure and properties of polyacrylic acid
modified hydroxyapatite/liquid crystal polymer composite. J Reinf Plast Compos
30(13):1155 1163
Thompson SA (2000) An overview of nickel-titanium alloys used in dentistry. Int
Endod J 33:297 310
Wahl DA, Czernuszka JT (2006) Collagen-hydroxyapatite composites for hard tissue
repair. Eur Cells Mater 11:43 56
Wang M, BonfieldW (2001) Chemically coupled hydroxyapatite-polyethylene
composites: structure and properties. Biomaterials 22(11):1311 1320
Witte F (2010) The history of biodegradable magnesium implants: a review. Acta
Biomater 6:1680 1692
Xu Z, Ikoma T, Yoshioka T, Tagaya M, Motozuka S, Matsumoto R, Vemura T, Tanaka
J (2012)
Effect of glutaraldehyde on properties of membranes prepared from fish scale collagen.
MRS Proc 1418:2012 2396. doi:10.1557/op1
Yahia L (ed) (2011) Shape memory implants. Springer, New York
642
Material Implan dan Strukturnya (Implant Materials and
Structures)
Isi
Pengantar 643
Gigi Implan (Dental Implant) 645
Referensi 571
Abstrak
Berbeda dengan bahan dan peralatan implan biodegradable, banyak ditanamkan logam
dan paduan bersifat permanen: gigi, peralatan wajah kranial, peralatan ortopedi untuk
penggantian lutut dan pinggul, batang, sekrup, dll. Desain dan fabrikasi Implan ortopedi
yang kompatibel secara biomekanik akan dibahas terutama berkaitan dengan
mengurangi atau menghilangkan perisai stres melalui pengendalian kepadatan dan
porositas untuk mengurangi kekakuan (atau modulus Young).
643
Pengantar
Implikasi dari bahan implan, terutama logam atau paduan tentu saja tersirat dalam
Gambar. 3 (Bab "Strategi Penggantian Bone dan Jaringan Augmentation"), meskipun
fitur biodegradable di Gambar. 3 dari Bab "Strategi untuk Penggantian Bone dan
Jaringan pembesaran (Augmentation) ". Di sini ada apresiasi yang lebih implant dari
logam permanen dan terkait peralatan biomaterial yang akan dikembangkan.
Pengaturan tulang yang rusak akibat patah tulang atau penyakit berasal dari
zaman kuno. Upaya awal untuk memperbaiki kelainan sendi pinggul dan penggantian
pinggul melibatkan pinggul palsu (terutama kepala femoral) yang diukir dari gading dan
menggunakan batu apung atau plester Paris (CaSO4 . 2H2O) untuk mengamankan implan
terjadi sekitar tahun 1890 (Walker 1978). Arkeolog telah menemukan bukti bahwa
penghuni kawasan ini yang sekarang Honduras, sekitar 1000 SM, mengembangkan cara
untuk menggunakan gigi berbentuk batu sebagai implan gigi. Timbal juga digunakan
untuk implan gigi di Eropa di akhir 1800an
644
Penyisipan logam seperti piring dan sekrup untuk menjaga tulang menjadi
mungkin terjadi setelah penemuan antiseptik oleh Joseph Lister dan pengembangan X-
radiografi sekitar tahun 1895. Pada tahun 1886, D. H. Hansmann, seorang ahli bedah
Jerman, termasuk orang pertama yang menggunakan pelat logam baja vanadium untuk
menahan patah tulang, tapi bahan ini ada tidak biokompatibel. Dengan penemuan baja
Gambar. 1 Contoh implan dan peralatan gigi: Gambar sinar-X pada (a) dan (b). (c) menunjukkan sebuah Citra sinar-X dari implan sekrup gigi osseointegrated (gambar koleksi dari Bing)
645
tahan karat biokompatibel sekitar tahun 1926, bahan ini menjadi bahan implan (paduan)
pilihan sampai sekitar tahun 1970an ketika korosi stainless steel diakui sebagai
konsekuensinya formasi martensit yang diinduksi deformasi baik sebagai fitur
pengolahan atau sebagai sebuah akibat deformasi peralatan biomedis langsung. Paduan
berbasis kobalt diperkenalkan sebagai biomaterial implan pada tahun 1936 sementara
paduan Ti diperkenalkan di tahun 1950an Paduan kobalt-krom dan Ti terus menjadi
bahan implan utama, terutama bahan implan permanen, bahkan sampai hari ini (2014),
termasuk lengkap. Struktur penggantian lutut dan pinggul, pin, sekrup, batang, piring,
dll yang digunakan dalam tulang perbaikan dan pembesaran sebagai implisit dalam
Gambar. 3 di bab "Strategi untuk Penggantian Tulang dan Jaringan Augmentation ".
Semua perangkat paduan ini biokompatibel.
Implan Gigi (Dental Implants)
Gigi telah menjadi implan yang populer, terutama paduan Ti dan Ti seperti Ti-6Al-4V.
Hal sama yang populer adalah implan sekrup. Contoh ditampilkan di Gambar X-
radiografi pada Gambar 1. Karena Ti dan paduannya menghasilkan permukaan TiO2
oksida dengan beberapa porositas, implan ini mendorong pertumbuhan sel tulang pada
permukaan implan Selain itu, TiO2 dapat menunjukkan sifat antibakteri. Namun,
Implan paduan Ti di tulang menunjukkan perisai tegangan sejak modulus Young
biasanya rata-rata 110 GPa berbeda dengan tulang kortikal dengan Young's modulus 15-
30 GPa.
Meskipun implan gigi Ti murni hanya setengah sekuat implan Ti-6Al-4V,
perkembangan terbaru dari implan gigi nano-Ti memiliki sebagai konsekuensi dari
nanosized struktur butir, meningkatkan kekuatan kira-kira dari Ti-6Al-4V (~l10 GPa)
berbeda dengan Ti murni dengan kekuatan berkisar antara 0,2 sampai 0,8 GPa (Murr
dkk. Sekitar 2012an). Implan keramik juga melibatkan Al2O3 dengan modulus Young
0,35 GPa dan ZrO2 dengan modulus Young 0,2 GPa, lebih kompatibel dengan tulang
cancellous dari pada paduan Ti atau Ti. Implan keramik juga lebih banyak
biokompatibel dari pada logam, namun secara mekanis kurang sesuai.
646
Konsep konfigurasi bidang dan skrup implan untuk menstabilkan tulang rontok atau
segmen tulang yang dikompromikan diilustrasikan pada Gambar. 3 dari Bab "Strategi
untuk Penggantian Tulang dan Jaringan Augmentation ", yang secara konseptual dapat
mewakili komponen implan logam atau paduan yang lebih permanen. Batang paduan
Ti, seperti Ti-6Al-4V, juga digunakan pada fraktur utama femur seperti yang
diilustrasikan biasanya pada Gambar 2. Biasanya implan batang intramedullary ini
bersifat permanen, dan sebagai diilustrasikan pada Gambar 2, mereka mengganti bagian
dalam, lembut, tulang trabekular.
Gambar. 3 Reticulated (T i-6Al-4V) jala prototip dibuat dengan pelepasan berkas elektron: (a) sampai (c). 1 dan 2 dalam (b) dan (c) menunjukkan perbedaan geometri jala pada 45 o
relatif terhadap satu sama lain. (d) menunjukkan bagian pengganti tulang tengkorak pengganti (Murr dkk setelah 2012an)
647
Konfigurasi pelat logam atau paduan (terutama Ti-6Al-4V) sebagai tengkorak-wajah
atau implan maksilofasial telah menyediakan penggantian tulang tengkorak selama
beberapa dekade, tapi seperti konfigurasi implan padat lainnya (Gambar 2), mereka
tidak membiarkan tulang tumbuh kedalam, meskipun kurangnya pemuatan tegangan
menghilangkan respon remodeling tulang terhadap perisai tegangan (perbedaan
Gambar. 4 Peleburan berkas electron (Electron Beam melting EBM) bubuk T i6Al-4V sebelum dipadukan: (a) dan (b). Sistem EBM ditunjukkan secara skematik pada (c), yang terdiri dari senapan elektron (1), lensa fokus dan balok kumparan pemindai (2), kaset serbuk pada (3), lapisan penggaruk pada (4), dan bangunan produk pada (5)
648
modulus elastis) yang terjadi pada batang implan atau peralatan lainnya yang khas pada
Gambar 2. Kurangnya pertumbuhan tulang kedalam pada margin bidang implan pada
dasarnya meninggalkan sisipan dengan bebas hanya didukung oleh kulit dan jaringan
sekitarnya. Meski penggunaan umumnya tidak praktis, kemampuan untuk memproduksi
pasien-spesifik atau tulang-pengganti-spesifik berpori atau implan seluler terbuka dari
Ti-6Al-4V oleh manufaktur aditif akan dapat dihilangkan kekurangan ini seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 3d. Gambar 3a-c menunjukkan contoh-contoh jala prototipe
retikulasi yang dibuat dengan pelepasan berkas elektron (EBM) yang diilustrasikan pada
Gambar 4. Teknologi manufaktur aditif ini dibahas lebih rinci pada Bagian XI, bab
"Laser dan Teknologi Peleburan Elemen Elektron ", menggunakan unit bangunan atau
unit unit geometris yang disematkan pada perangkat lunak perancangan dibantu
komputer (CAD) untuk secara selektif melelehkan lapisan bubuk dengan pemindaian
sinar elektron yang diarahkan CAD dan pencairan.
Strategi implan permanen yang paling umum adalah melibatkan parsial dan total
pinggul dan penggantian lutut, yang secara agregat sekarang berjumlah jutaan per tahun
di seluruh dunia. Gambar 5 mengilustrasikan penggantian panggul total, sedangkan
Gambar 6 menunjukkan komponen alat pengganti cangkir acetabular biasanya Ti-6Al-
4V dan dalam beberapa contoh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 (pada A),
Gambar. 5 X-ray menunjukkan penggantian panggul kontemporer (komersial). Batang femoralis ditunjukkan oleh Fs (Diadaptasi dari Murr dkk (2012an))
649
dibuat dengan peleburan teknologi berkas electron untuk menciptakan permukaan
kontak yang berpori untuk mendorong pertumbuhan tulang panggul-tulang. Baut sekrup
untuk attachment juga ditunjukkan. Liner yang ditunjukkan di L pada Gambar 6 adalah
biasanya terbuat dari hinghly cross-linked polyethylene (HCLPE) (atau ultrahigh
molecular weight polyethylene (UHWWPE)), sedangkan kepala femoralis (FH pada
Gambar 6) biasanya Ti-6Al-4V atau paduan kobalt-krom yang lebih keras (Co-29% Cr,
6% Mo, 0,7% Si, 0,25 Ni, 0,22% C, dalam persenan berat). Cangkir acetabulum seperti
ditunjukkan pada Gambar 7 di Pc telah diproduksi secara komersial oleh EBM. Kepala
femoral juga telah dibuat keramik keras seperti Al2O3, sedangkan batang femoralis (Fs)
telah dibuat dari Ti, Paduan Ti-6Al-4V, Co-Cr, dan 316 stainless steel. Ti-6Al-4V
adalah barang umum pilihan yang sering dipakai. Desain batang femoralis dapat
bervariasi seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7 di bagian tengah desain
menunjukkan lapisan berpori (juga komponen batang femoralis yang ditunjukkan pada
P di Gambar 6). Pelapisan semacam itu bisa melibatkan manik-manik serbuk sinter atau
struktur sel terbuka seperti tantalum atau struktur berpori biokompatibel lainnya seperti
yang diilustrasikan pada Gambar 8. Pelapis hidroksiapatit (HA) plasma juga berhasil
diterapkan untuk Ti dan Ti-6Al-4V untuk meningkatkan integrasi tulang baik ortopedi
dan gigi prostesis (Brunski dkk 2000).
650
Gambar 9 menunjukkan struktur mikro yang khas untuk paduan Ti-6Al-4V tempa
(ditempa) karakteristik batang femoralis padat seperti yang diilustrasikan pada Gambar
7. Gambar 9a menunjukkan alfa acicular (bcc: a = 0,3 nm, c = 0,47 nm) butir yang
dikelilingi oleh intergranular fase beta (bcc: a = 0,33 nm). Gambar 9b, c menunjukkan
peningkatan perbesaran TEM mewakili daerah yang sesuai dengan persegi panjang
(panah) pada Gambar 9a. Serupa mikrostruktur diamati untuk komponen Ti-6Al-4V
padat yang dibuat oleh electron peleburan balok (electron beam melting (EBM)) seperti
yang diilustrasikan pada Gambar. 10 dan 11. Pada Gambar 10, yang merupakan
karakteristik dari sebuah silinder padat yang dibuat oleh EBM, aliran panas
Gambar. 6 Alat panggul total komponen. J: cangkir acetabulum. Panah menunjukkan sebuah fabrikasi-EBM (Ti-6Al-4V) komponen memiliki keropos (jala) pelapis atau permukaan jala (Pc). L adalah liner polietilen. FH adalah kepala femoralis. Fs adalah kepala femoralis. Fs menunjukkan batang femur yang memiliki sebuah bagian lapisan berpori dilambangkan P
651
menci -butir sedikit lebih besar (menyerupai struktur Widmanstatten yang mirip
dengan Gambar. 4b di Bab "Cacat Volume: Ketidaksempurnaan 3D dalam Kristal") di
dekat bagian atas komponen. Pada Gambar 11a, b, sesuai dengan struktur mikro yang
serupa dengan Gambar 10b, sebuah berat kerapatan dislokasi berkontribusi pada
kekerasan yang lebih tinggi daripada dislokasi dengan karakteristik yang relatif bebas
dari Gambar 10a seperti ditunjukkan pada Gambar 11c, d.
Gambar. 7 Contoh desain femoralis batang Tengah. Contoh yang memiliki permukaan lapisan berpori (Koleksi dari DiSanto)
652
Gambar. 8 Terbuka-seluler tantalum (Metal Trabekular) dikembangkan oleh Perusahaan Zimmer, untuk porositas permukaan implant pada implan komersial peralatan rumah tangga(Koleksi perusahaan dari Zimmer Holdings)
Gambar. 9 Struktur mikro tempa T i-6Al-4V. (a) Tampilan mikroskopis optik. (b) dan (c) tunjukkan TEM gambar -butir
653
Ada beberapa pendapat penting yang harus dipertimbangkan sehubungan dengan
masalah permanen implant. Pertama adalah kebutuhan untuk memastikan integritas atau
fiksasi mereka, dan di banyak pihak kasus mereka disemen ke dalam tulang, sering
menggunakan bahan polimer akrilik seperti PMMA Struktur permukaan berpori atau
terbuka seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 6 dan 8 meningkatkan pertumbuhan
sel tulang dan memberikan fiksasi permanen. Struktur ini berpori juga bisa menurunkan
modulus Young di samping tulang dan mengurangi perlindungan tegangan. Kami akan
membahas strategi perancangan teknik untuk mengatasi masalah ini nanti. Hal ini dapat
diapresiasi pada Gambar 7 bahwa implan komersial diproduksi pada ukuran yang
dipilih sementara tulang manusia datang dalam berbagai ukuran. Batang padat juga
menghilangkan vaskularisasi alami, dan jika implan logam berpori bisa terjadi dibuat
dengan berbagai, porositas fungsional atau struktur seluler terbuka, mungkin bisa saja
akan tumbuh rezim vaskular untuk memungkinkan beberapa aliran darah. Dalam kasus
ini, Karageorgiou dan Kaplan (2005) telah merekomendasikan bahwa ukuran pori lebih
mendukung osteogenesis secara langsung dan memungkinkan potensi
vaskularisasi. Demikian pula, konsensus umum adalah bahwa ukuran pori minimum
berkisar antara 100-500 pembentukan jaringan berserat dalam ingrowing sel tulang
(Freyman dk 2001;. Ryan dkk. 2006). Duktus sel tulang pada umumnya tidak terjadi
karena ukuran pori kurang
654
Murr dan rekan kerja (Murr dkk 2010, 2011, 2012a, b) baru saja dipromosikan prospek
untuk menciptakan novel, generasi berikutnya ortopedi pinggul dan implan lutut terdiri
dari monolit open-cellular (berpori) yang dibuat oleh EBM . Ini bisa dibuat dari model
CAD yang dibuat dari CT atau scan mikro-CT tertentu pasien implan untuk membuat
peralatan khusus pasien. Gambar 12 mengilustrasikan hal ini konsep untuk batang
Gambar. 10 Struktur mikro fase-alfa pada komponen silindris T i-6Al4V buatan EMB. (a) mewakili bagian atas, sedangkan (b) mewakili bagian bawah yang lebih dingin dengan butiran yang lebih kecil (fase) ukuran
655
intramedulla (femoral). Pada Gambar 12a, batang terdiri dari sebuah luar, busa ukuran
lebih kecil, sedangkan bagian dalam adalah ukuran busa lebih besar (ukuran pori). Pada
Gambar 12b, struktur batang luar adalah unit pembuatan khusus yang sesuai dengan
sebuah jala retikulasi sedangkan struktur dalam adalah busa seperti pada Gambar. 12a.
Gambar 13 menunjukkan pandangan yang lebih rinci tentang model ini: Gambar 13a-c
sesuai dengan Gambar 13a, sedangkan Gambar 13d sesuai dengan Gambar 11b.
Gambar 14 menunjukkan batang Ti-6Al-4V sesuai dengan Gambar 12a, dibuat oleh
EBM dan ditempatkan di tulang femur.
Busa sela terbuka dan struktur jala retikulasi ditandai dengan topangan jala tipis atau
dinding sel yang bila dibuat oleh EBM seperti yang diilustrasikan pada Gambar 14 lebih
cepat dingin dari komponen curah. Dalam Ti-6Al- -
martensit seperti yang diilustrasikan pada Gambar 15. Struktur mikro ini, berbeda
Struktur butiran kasar yang ditunjukkan pada Gambar 10, kira-
kira 25% lebih keras dan khas lebih kuat.
Gambar. 12 model CAD untuk terbuka seluler monolit batang intramedulla. (a) busa kepadatan tinggi sekitar kepadatan rendah pedalaman. (b) jala reticulatus dengan densitas lebih tinggi sekitar kepadatan interior busa rendah (diadaptasi dari Murr dkk. (2012b))
656
Penggantian lutut biomaterial pada dasarnya sama dengan yang digunakan secara
permanen pada penggantian pinggul, dan fungsinya serupa. Seperti yang diilustrasikan
pada Gambar 16, komponen femoralis, biasanya paduan Co-Cr yang keras, naik pada
ikatan yang sangat silang (UHMWPE) bantalan polietilena yang dipasang pada meja
tibia dimasukkan ke dalam tibia dan biasanya terbuat dari Ti-6Al-4V.
Komponen femoralis, biasanya merupakan paduan Co-Cr yang keras, yang bergantung
pada bantalan ikatan polietilen (UHMWPE) yang dipasang pada tibialis dimasukkan ke
dalam tibia dan biasanya terbuat dari Ti-6Al-4V. Sisipan polietilen, tidak terlihat pada
sinar-X Gambar 16a, pada intinya mengganti kerusakan dan tidak terdapat meniscus,
Gambar 13 Model CAD yang mewakili struktur seluler terbuka yang ditunjukkan pada Gambar 13, meskipun (a) dan (b) menunjukkan model pori yang berbeda. (c) menunjukkan pandangan aksial (a), sedangkan (d) sesuai dengan Gambar 13b.
657
yang mana, meski tidak terlihat di lutut yang berlawanan pada Gambar 16b, telah
diperburuk pada selaput tipis yang memisahkan tulang paha dari tibia. Lutut kiri pada
Gambar 16b kemudian diimplantasikan dengan penggantian lutut total seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 17a, menggunakan insisi 11,5 cm yang ditunjukkan pada
Gambar 17b untuk paduan dan penyisipan perangkat.
Seperti pada kasus penggantian pinggul, semen akrilik biasanya mengamankan implan
meskipun permukaan berpori untuk persiapan pertumbuhan tulang sering terjadi. Selain
itu, semen sering dicampur dengan antibiotik seperti gentamicin dan norfloksasin untuk
mencegah infeksi (Baleari et al 2003; Vasilev et al., 2009). Nanopartikel perak (
Gambar 10b di bab "Contoh Ilmu Material dan Rekayasa Antik") juga telah dimasukkan
ke dalam semen polimer (Camacho 2012) dan bisa disematkan di sel terbuka, struktur
berpori juga (Murr et al 2012a). Bagian lemah pada sistem implan lutut khususnya
Gambar 14 Paha bagian atas dengan penyisipan batang simulasi Ti-6Al-4V sesuai
dengan Gambar. 75a dari bab "Energi Kimia: Nanopartikel " dan dibuat oleh EBM
(a). (b) menunjukkan bagian poros potongan batang dalam (a) (Adapted from Murr et al.
(2012b))
658
melibatkan degradasi dari bantalan polietilena yang bisa retak akibat benturan dan
pelemahan oleh granulasi.
Ini bisa termasuk penggabungan puing rematik yang sering menjadi penyebab awal
pertumbuhan jaringan dan degradasi ligatur. Penelitian terbaru telah melibatkan
penggabungan nanotube karbon dalam polietilen, yang telah menunjukkan periode
keausan (atau ketahanan aus) lebih dari 86% lebih besar dari yang tidak diperkuat,
molekul berat polietilen kadar tinggi (Camacho 2012). Kelelahan juga merupakan
implan penting bersama dengan campuran permukaan perangkat tibialis yang
bergantung pada bantalan polietilena. Goresan apapun dapat merusak permukaan
polietilena juga.
Gambar 18 mengilustrasikan komponen tibialis Co-Cr eksperimental yang difabrikasi
oleh EBM yang memiliki permukaan interior seluler terbuka untuk meningkatkan
pertumbuhan tulang tibialis. Mikrostruktur terbaru yang dihasilkan oleh pengolahan ini
diilustrasikan pada Gambar. 19 dan 20 yang menunjukkan kolom presipitat Cr23C6
kubik (a = 10.6 Å) terutama bagian menonjol dalam gambar TEM pada Gambar 20.
Gambar 15 Gambar Mikroskop optik dan gambar sisipan mikroskop TEM -martensit di Ti-6Al-4V struktur selular terbuka material lunak seperti
pada Gambar 15 dibuat oleh EBM. Membandingkan dengan Ti-6Al-4V padat Struktur
fase-a pada Gambar 11 dan struktur Widmanstätten di Gambar. 4b bab "Cacat
Volume: 3D Ketidaksempurnaan dalam Kristal "
659
Tabel 1 membandingkan solid-fabrikasi EBM. Komponen Ti-6Al-4V dan Co-Cr
bersama dengan nominal produk tempa komersial properti. Nilai kekentalan untuk
paduan Ti-6Al-4V dan Co-26Cr-6Mo adalah 110 GPa dan 210 GPa.
Gambar 16 Gambar X-ray menggambarkan penggantian lutut total pada lutut kanan(a) dan dikompromikan meniskus di lutut kiri (b). f menunjukkan alat femoralis dan t menunjukkan alat tibialis (Courtesy of Patricia Murr)
Gambar 17 Gambar X-ray penggantian lutut total pada lutut kiri Gambar. 7b dari bab 9 "Energi Kimia : Nanopartikel " (a). (b) menunjukkan insisi pengganti untuk (a)(Courtesy of Patricia Murr).
660
Gambar 21 menunjukkan struktur jaring retikulasi Co-Cr, sedangkan Gambar 22
menunjukkan struktur tertanam dalam model CAD dan fabrikasi sebenarnya dari Ti-
6Al-4V implan tibialis untuk prototipe batang yang diperbesar, menggunakan EBM.
Gambar 23a menunjukkan Gambar SEM untuk struktur batang jaring terdeformasi Ti-
6Al-4V untuk perbandingan dengan Ti-6Al-4V untuk struktur batang jaring Co-Cr
yang pada Gambar 21a. Gambar 24 membandingkan struktur mikro untuk Ti-6Al-4V
yang didaur ulang (Gambar 24a) dan Co-Cr (Gambar 24b) struktur jaring yang sesuai
dengan yang ditunjukkan pada Gambar. 15 dan 19, berurutan.
Pada pemeriksaan Gambar. 6, 12, 13, 14, 18a, b, 22 dalam retrospeksi, seharusnya jelas
bahwa sebagai akibat dari kemampuan manufaktur aditif (terutama menggunakan EBM)
untuk membuat implan monolitik spesifik dan fungsional dan komponen, harus
dimungkinkan untuk merancang pasien spesifik dan peralatan biomekanik yang
Gambar 18 Co-Cr EBM alat prototip femoralis menunjukkan di luar (a) dan di dalam (b) struktur permukaan. (c) menunjukkan posisi alat femoral dalam sinar-X gambar total penggantian implan lutut
661
kompatibel. Hal ini terutama berlaku untuk pemilihan modulus young yang
berhubungan dengan kepadatan atau kepadatan tertentu (selular terbuka)
untuk
pori seluler terbuka berdasarkan potongan unit batang cuboctahedron dapat dihitung
secara eksplisit dengan menggunakan prinsip sederhana Egli (1972):
Gambar 19 Komposit gambar 3D (mikroskop optik) untuk padatan Co-Cr buatan-EBM karakteristik silinder dari alat padat pada Gambar 19a, b. B menunjukkan arah pembuatannya
662
Standar ASTM-F75
EBM (z) mewakili sampel yang dibuat dari bidang referensi yang tegak lurus terhadap
bangunan EBM arah (sumbu z seperti pada Gambar 4)
EBM (x, y) mewakili sampel yang disiapkan atau dibangun tegak lurus terhadap sumbu
z (pada sumbu x atau y arah)
Struktur mikro diwakili oleh gambar metalografi optik (Adapted from et al. (2012b)).
(1)
Dengan mempertimbangkan metode castigliano (Prawoto 2012).
(2)
Tabel 1 Perbandingan perangkat mekanik untuk paduan Ti-6Al-4V dan paduan Co-26Cr-6M
Gambar 20 Gambar TEM komposisi 3D sesuai dengan Gambar 19 menunjukkan Cr23C6 karbida presipitat B menunjukkan bangun arah seperti pada Gambar 19. Gambar yang ditunjuk oleh panah menunjukkan susunan gambar yang retak
663
isi pada ujungnya dengan beban,
P, U adalah energi regangan, Mi adalah momen lentur yang diberikan pada masing
masing sinar (ith), E adalah Modulus Young, I adalah momen inersia area, dan n adalah
jumlah balok di dalamnya struktur. Menerapkan Pers. 2 ke cuboctahedron dipotong
mewakili busa sel (atau unit sel CAD), modulus Young dihitung (Prawoto 2012):
(3)
Gambar 21 Mesh retikulasi EBM dari Co-26Cr-6Mo. (a) komponen mesh (b) SEM gambar struktur batang mesh pada (a). (c) Spektrum sinar-X yang terdistribusi energi sesuai dengan (b).
664
Gibson and Ashby (1982) juga menganggap struktur tulang khususnya terdiri balok
pendek atau batangs atau Timoshenko-tipe balok (Timoshenko dan Gene 1972) mirip
dengan yang tersirat dalam persamaan 2, tetapi dalam representasi mekanik klasik yang
sederhana ditunjukkan pada Gambar 25 untuk sel kubik yang mirip dengan unit
perangkat lunak CAD untuk fabrikasi
Gambar 22 Batang Tibial (lutut) dirancang ((a) dan (b)) dan dibuat sebagai Ti-6Al-4V monolit yang terdiri dari a batang dalam dan dikelilingi oleh a struktur mesh.Menentukan model CAD diputar (a) dan (b) 45o (Adapted from Murr et al. (2012b))
Gambar 23 SEM untuk gambar EBM-fabrikasi Ti-6Al-4V struktur sel terbuka prototip
(a) Struktur retikulasi batang mesh (b) Struktur pori Ligamen sel terbuka
665
struktur jaring retikulasi yang ditunjukkan pada Gambar. 21a dan 22. Dalam konvensi
ini, momen kedua daerah anggota batang persegi panjang, I, dan kerapatan relatif ( /
terkait dengan dimensi balok (atau penyangga) pada Gambar 25 oleh:
(4)
(5)
dimana t dan adalah dimensi penyangga. Modulus atau kekakuan Young yang sesuai,
E, untuk elemen kubik, sel terbuka (batang) yang ditunjukkan pada Gambar 25
diberikan oleh Gibson dan Ashby (1982):
(6)
Gambar 24 Retikulasi mesh bagian 3D strut mikrostruktur untuk Prototip buatan -martensit di mesh Ti-6Al-4V topangan. (b) Cr23C6 kolom presipitasi di
Co-26Cr-6Mo-0.2 C batang mesh (Adapted from Murr et al. (2011))
666
Gambar 26 Perbandingan Kekakuan relatif dengan plot kerapatan relatif untuk Ti-6Al-4V dan Co-26Cr- 6Mo mesh dan sampel pori dibuat oleh EBM (after Murr et al.
(2011)).
Gambar 25 Elemen struktur seluler terbuka sederhana yang dilengkapi dengan gaya tekan F (Adapted from Gibson dan Ashby (1982)).
667
Gambar 27 Desain grafik pelindung-tegangan. Daerah berbayang sesuai dengan Ti-6Al-4V dan data Co 26Cr-6Mo tersebar di Gambar 27. Garis pas ditunjukkan dengan 1-4 di kunci kotak (kiri atas).
Gambar 28 Sifat kelelahan untuk komponen mesh Ti-6Al-4V yang dibuat oleh EBM. (a) Kekuatan kompresi versus siklus kelelahan terhadap kegagalan. Tingkat kelelahan kompresi adalah 10 Hz. (b) Kekuatan kelelahan versus modulus Young, E, untuk komponen mesh Ti-6Al-4V dibandingkan bahan busa (Adapted from Li, et al. (2012)).
668
Data dari Niinomi (1998) dan Hao, dkk (2007). Nilainya setara (orthorhombic: a ¼ 3.1 A ° , b ¼ 5.1 A ° , c
¼ 4.7 A ° )
Dan dari persamaan 3
(7)
dimana konstanta, C, bisa sama dengan 0,9 seperti pada Pers. 3 dan 7 adalah bentuk
yang diberikan sebelumnya di Persamaan. 1 di bab "Contoh Komposit Alam dan
Struktur Komposit".
Ashby dkk. (2000) telah menunjukkan bahwa untuk berbagai macam busa paduan
aluminium dan aluminium, eksponen dalam Persamaan. 3 dan 7 bervariasi dari 1,8
Tabel 2 Nominal Mekanik Bahan dari Beberapa Paduan Biomedik Ti
669
sampai 2,2, sementara studi terbaru dari paduan logam dan paduan lainnya (termasuk
Ti-6Al-4V, Cu, dan Co-26Cr-6Mo) menunjukkan eksponen yang bervariasi antara 2
dan 2.3 (Murr, Ramirez et al 2011). Namun, diplot bersama dengan sampel jaring
pengaman dari logam dan paduan ini dan paduan Ni-Cr, data, secara agregat, dapat
dipasang dengan mudah pada ekspo skala log
(Murr,et al. 2012).
Gambar 26 menunjukkan data Murr dan rekan kerja (Murr,et al. 2011) untuk struktur
seluler terbuka Co-26Cr-6Mo dan Ti-6Al-4V yang dibuat oleh EBM dan dipasang pada
kemiringan 27, sedangkan Gambar 27 menunjukkan tegangan- desain grafik pelindung
berdasarkan data ini seperti yang ditunjukkan berbayang. Garis Co-26Cr-6Mo dan Ti-
6Al-4V mewakili perangkat sel (mesh atau busa) yang terbuka yang memiliki modulus
Young yang setara 19 GPa. Ini didasarkan pada modulus Young (atau kekakuan) kuat
Gambar 29 Gambar TEM area terang untuk Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn dibuat oleh EBM, - lapisan martensit
670
dari 210 GPa untuk paduan Co-26Cr-6Mo dan 110 GPa untuk paduan Ti-6Al-4V.
Kerapatan padat yang sesuai masing-masing adalah 8,44 g / cm3 dan 4,43 g / cm3. Data
pada Gambar 26 diperoleh dari modulus dinamis (atau kekakuan) dengan menggunakan
frekuensi resonansi non-destruktif, atau resonansi yang dibentuk dengan mengetuk
ukuran spesimen optimum sesuai dengan ungkapan (Li,et al 2012):
(8)
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, fiksasi kelelahan polimer (seperti PMMA)
juga dapat diterapkan pada struktur mesh atau busa tebal yang umumnya memiliki
kekuatan kelelahan lebih rendah daripada logam padat atau paduan. Gambar 28
menunjukkan pengukuran kelelahan terkini untuk sampel mesh Ti-6Al-4V yang sesuai
dengan yang diilustrasikan pada Gambar 26 (Li et al 2012). Pada mempertimbangkan
kekuatan kompresi pada Gambar 28a sebaliknya untuk kekuatan kelelahan versus
kekakuan (atau modulus Young) pada Gambar 28b, diamati bahwa strategi perancangan
implan mungkin termasuk memaksimalkan kelelahan dan kekuatan tekan seiring
dengan kekakuan yang kompatibel. Akibatnya, strategi optimal mungkin melibatkan
penggunaan paduan Ti dengan modulus Young padat yang lebih rendah. Seperti yang
diamati pada Tabel 2, campuran Ti-Nb-Z Ti-Nr-Sn seperti Ti-24Nb-4Zr-8Sn (Ti-2448),
dapat memiliki modulus Young untuk komponen padat seluruhnya. rendah 42 GPa.
Paduan khusus ini (Ti-2448) telah dibuat dalam prototip komponen monolitik padat
oleh EBM seperti yang diilustrasikan pada gambar TEM pada Gambar 29, yang
-martensit (ortorombik: a ¼ 3,1 A °, b ¼ 5,1 A °, c ¼ 4,7
A °) dalam matriks fase - (Hernandez et
-fasa karena adanya pembekuan cepat dalam fabrikasi EBM dan
menghasilkan kekerasan lubang kecil pada permukaan konvensional, fase beta Ti-24 Nb
4Zr-8Sn (Hao et al. 2007).
Meskipun kita telah menyebutkan implan keramik sebelumnya (khususnya Al2O3 dan
ZrO2), implan Al2O3 telah ditunjukkan untuk tidak melakukan dengan tujuan sebagai
alternatif untuk implan Ti atau Ti (Andreiotelli, et al, 2009). Zirkonia, bagaimanapun,
mungkin memiliki potensi sebagai bahan implan, terutama sebagai implan oral (dental)
atau komponen implan (Andreiotell,et al, 2009).
671
Refrensi
Andreiotelli M, Wenz HJ, Kohal R-J (2009) Are ceramic implants a viable alternative to titanium implants A systematic literature review. Clin Oral Implants Res 20(Suppl 4):32 47Ashby MF, Evans A, Fleck NA, Gibson LJ, Hutchinson JW, Wadley HNG (2000) Metal foams: a design guide. Butterworth Heinemann, Boston Baleari M, Cristofolini L, Mineri C, Toni A (2003) Fatigue strength of PMMA bone cement mixed with gentamicin and barium sulfate versus pure PMMA. Proc Inst Mech Eng H217:9 12Brunski JB, Puleo DA, Nanci A (2000) Biomaterials and biomechanics of oral and maxillofacial implants: current status and future developments. J Oral Maxillofac Implants 15:15 46Camacho N (2012) Wear characterization of ultra-high molecular weight polyethylenereinforced with multiwall carbon nanotubes. Ph.D. Dissertation, University of Texas at El Paso, El Paso Egli E (1972) Design properties of structural foam. J Cell Plast 8:245 251Freyman TM, Yannas IV, Gibson LJ (2001) Cellular materials as porous scaffolds for tissue engineering. Adv Eng Mater 6:369 376Gibson LJ, Ashby MF (1982) The mechanics of three-dimensional cellular materials. Proc R Soc Lond Math Phys Sci 383:43 49Hao YL, Li SJ, Sun SY, Zheng CY, Yang R (2007) Elastic deformation behavior of T i24 Nb-4Zr-7.9Sn for biomedical applications. Acta Biomater 3:277 286Hernandez J, Li SJ, Martinez E, Murr LE, Pan XM, Amato KN, Cheng XY, Yang F, Terrazas CA,Gaytan SM, Hao YL, Yang R, Medina F, Wicker RB (2013) Microstructures and hardness properties for -phase Ti-24 Nb-4Zr-8Sn alloy fabricated by electron beam melting. J Mater Sci Technol 29(11):1011 1017Karageorgiou V, Kaplan D (2005) Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis. Biomaterials 26:5474 5491Li SJ, Murr LE, Cheng XY, Zhang ZB, Hao YL, Yang R, Medina F, Wicker RB (2012) Compression deformation behavior of Ti-6Al-4V alloy with cellular structures fabricated by electron beam melting. J Mech Behav Biomed Mater 16:153 162Murr LE, Gaytan SM, Medina F, Lopez H, Martinez E, Machado BI, Hernandez DH, Martinez L, Lopez MI, Wicker RB, Bracke J (2010) Next-generation biomedicalimplants using additive manufacturing of complex, cellular and functional mesh arrays. Philos Trans R Soc A 368:1999 2032Murr LE, Amato KN, Li SJ, Tian YX, Cheng XY, Gaytan SM, Martinez E, Shindo PW, Medina F, Wicker RB (2011) Microstructure and mechanical properties of open-cellular biomaterials prototypes for total knee replacement implants fabricated by electron beam melting. J Mech Behav Biomed Mater 4:1396 1411Murr LE, Gaytan SM, Martinez E, Medina F, Wicker RB (2012a) Fabricating functional Ti-alloy biomedical implants by additive manufacturing using electron beam melting. J Biotechnol Biomater 2(3):1 11Murr LE, Gaytan SM, Martinez E, Medina F, Wicker RB (2012b) Next generation orthopaedic implants by additive manufacturing using electron beam melting. Int J Biomater Article 10245727, 14 p
672
Murr LE, Gaytan SM, Ramirez DA, Martinez E, Hernandez J, Amato KN, Shindo PW, Medina FR, Wicker RB (2012c) Fabrication of metal and alloy components by additive manufacturing: examples of 3D materials science. J Mater Sci Technol 28(l):1 14Niinomi M (1998) Mechanical properties of biomedical titanium alloys. Mater Sci Eng A243:231 236Prawoto Y (2012) Seeing auxetic materials from the mechanics point of view: a structural review 153Ramirez DA, Murr LE, Martinez E, Hernandez DH, Martinez JL, Machado BI, Medina F, Wicker RB, Frigola P (2011) Open-cellular copper structures fabricated by additive manufacturing using electron beam melting. Acta Mater 59:4088 4099 Med Devices 6:553 567Walker PS (1978) Human joints and their artificial replacement. C.C. Thomas, Springfield.
673
Rekayasa Perancah Jaringan dan Material Perancah (Tissue
Engineering Scaffolds and Scaffold Materials)
Daftar Isi
Introduksi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673Perancah dan Material perancah. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674Referensi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .681
Abstrak
Bab ini menjelaskan konsep rekayasa jaringan dan material perancah dan fungsinya
karena ini berhubungan dengan pertumbuhan sel dan jaringan 3D dan fungsi yang
mungkin menyebabkan pembuatan organ yang kompleks. Bahan perancah yang
dijelaskan, termasuk bahan perancah alami (biologis) seperti kolagen, chitosan, dan
sutra juga logam dan polimer.
Pengenalan
Sel jaringan, selain sel darah, bergantung pada anchorage, berada dalam matriks padat,
disebut matriks ekstraselular (ECM). Jaringan manusia, termasuk jaringan tulang,
biasanya memiliki tipe ECM yang berbeda dengan beberapa komponen dan jaringan
spesifik komposisi. Rekayasa jaringan melibatkan penciptaan struktur perancah
memiliki biokompatibilitas yang diperlukan, sifat mekanik, terutama tulang atau
jaringan lain yang cocok dengan kekakuan, porositas dan struktur pori atau seluler
terbuka, dan bioresorbabilitas; atau kemampuan untuk menurunkan dengan waktu in
vivo pada tingkat yang terkendali untuk meninggalkan ruang untuk pertumbuhan
jaringan baru. Perancah, sel, dan sinyal stimulasi pertumbuhan umumnya disebut
sebagai triad jaringan teknik. Tentu saja, struktur seluler terbuka terkait dengan
komponen implan permanen seperti yang digambarkan pada Gambar. 7 dan 9 dari bab
"Bahan dan Struktur Implan", dan terutama Gambar. 13, 14, dan 15 dari bab "Bahan
dan Struktur Implan ", serta Gambar. 19 dan 23 dari bab "Bahan dan Struktur Implan"
juga dapat menyediakan teknik rekayasa perancah. Terutama penting bagi prospek
penanaman implan.
674
Struktur sel terbuka untuk mengakomodasi volume tulang intramedular, adalah
penyisihan pembentukan pembuluh darah (angiogenesis) di seluruh perancah. Implan
permanen saat ini, terutama batang atau batang intramedulla ( Gambar 2, 5, dan 7 dari
bab "Bahan dan Struktur Implan"), tidak biarkan ada vaskularisasi.
Perancah dan Material Perancah (Scaffolds and Scaffold Materials)
Sifat perancah yang paling penting meliputi, seperti yang telah disebutkan sebelumnya,
ukuran pori atau ukuran dan bentuk sel, ketebalan penyangga atau ligamen penghubung,
dan luas permukaan dan strukturnya. Gambar 24 (bab "Bahan dan Struktur Implan")
menggambarkan fitur penyangga atau ligamen, termasuk struktur permukaan, untuk
struktur seluler terbuka EBM, sementara Gambar 1 mengilustrasikan sistem perancah
3D komparatif yang dibuat dari Ti-6Al-4V oleh EBM , menggunakan dua model
elemen bangunan yang berbeda (perangkat lunak CAD) yang akan dibahas secara lebih
rinci di Bab XI. Dapat dilihat pada Gambar 1a bahwa ketebalan dan porositasnya
berubah dan kekakuannya bervariasi antara 2,7 sampai 0,78 GPa (untuk perancah (1) -
(3) pada Gambar 1a yang sebenarnya sesuai dengan struktur spons (intramedular)
struktur tulang.
Perancah dalam rekayasa jaringan diarahkan pada penggantian jaringan, restorasi, atau
regenerasi jaringan deteksi seperti pada penggantian kranio-maxillofacial yang
diilustrasikan pada Gambar. 3b (bab "Bahan dan Struktur Implan") sering merupakan
polimer yang dapat terurai seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 2 bab "Strategi
Penggantian tulang dan Jaringan augmentasi". Namun, bahan perancah alami (selain
dari autografts dan allografts dari tulang berpori dan kortikol) meliputi kolagen,
chitosan (polisakarida yang berasal dari chitin dan ditemukan di kulit kepiting) sutra,
fibrin, dan karang. Sebenarnya karang telah terbukti menjadi alternatif klinis yang
efektif untuk cangkok tulang autogenik dan allogenik untuk beberapa aplikasi (Wong
and Mooney 1997). Perancah ini, bersama dengan perancah polimer, dapat dibuat
dengan fabrikasi bentuk bebas padat padat (SFF) atau teknologi p rototipe cepat (RP)
yang mengkarakterisasi bentuk pencetakan 3D atau lapisan aditif lainnya yang akan
dibahas secara rinci pada Bagian XI berikut. Dalam hal ini, perancah paduan
magnesium dan magnesium yang mudah terurai dapat dibuat oleh EBM atau teknologi
675
bangunan serupa menggunakan sinar laser untuk mencairkan bubuk prekursor (dan pra-
paduan) di inert atmosfir, seperti argon atau nitrogen. Metode ini digambarkan sebagai
selective laser melting (SLM) yang kontras dengan fabrikasi EBM (Bagian XI, bab
"Laser dan teknologi pelelehan dengan sinar elektron").
Kemajuan utama dalam rekayasa jaringan tulang khususnya telah dicapai melalui
pemuatan perancah atau perancah dengan faktor pertumbuhan, obat-obatan, dan
pengiriman gen (Bose,dkk. 2012). Perancah pengganti tulang juga dilengkapi dengan
obat-obatan dan faktor pertumbuhan untuk mengobati cacat tulang bersamaan dengan
memperkenalkan osteoinductivity, properti bahan yang menginduksi pembentukan
tulang baru melalui pensinyalan biomolekul dan perekrutan sel progenitor. Obat yang
biasa digunakan meliputi vankomisin, gentamisin, dan metotreksat. Strategi
penyempurnaan jaringan ini juga dapat digabungkan ke dalam matriks hidrogel bersama
sel yang
Gambar 1 Perancah 3D Ti-6Al-4 V buatan EBM. (a) tampilan 3D-layer (ketebalan~ 3 mm) buram. 1-3 adalah elemen perangkat lunak yang sama seperti yang digunakan untuk membuat batang tibialis pada Gambar. 85c dari bab "Energi kimia: partikel nano". 4 adalah elemen yang berbeda. (1) porositas 82%, E ¼ 0,92 GPa; (2) Porositas 81%, E ¼ 1,53 GPa; (3) porositas 72%, E ¼ 2,70 GPa; (4) Porositas 65%, E ¼ 6,78 GPa. (b) Tampilan perancah transparan pada (a) menunjukkan struktur saluran pori.
676
dapat disuntikkan ke dalam volume perancah berpori, termasuk sel vaskular, karena
angiogenesis di seluruh perancah (termasuk perancah implan permanen) sangat penting
bagi keberhasilan perancah karena sel harus berada dalam beberapa ratus mikron dari
suplai darah terdekat agar bisa bertahan. (Karp ,dkk., 2003). Gambar 2 mengilustrasikan
lampiran sel dan pengembangan jaringan untuk sel tulang osteoblas pada material
nanofiber PLA sebagai perancah. Serat polimer dilapisi
Gambar 3 Bagian view dari Lengkungan acetabular Ti-6Al-4V ( Gambar 69 bab
"Energi Kimia : Nanopartikel ") dibuat dengan permukaan mesh (berpori) oleh EBM tersisip menunjukkan SEM gambar pertumbuhan tulang kelinci (B) menjadi implan Ti berpori. Panah menunjukkan sel tulang di pori internal (adapted by Reis de
Vasconcellos et al. (2010))
Gambar 2 SEM dari sel tulang osteoblas pada PLA / PGA berlapis anti-mikroba (asam polylactic / asam poliglikolat)
677
dengan mikrogel yang sarat dengan peptida antimikroba untuk menghambat kolonisasi
bakteri perancah sambil memperlihatkan adhesi, penyebaran, dan proliferasi osteoblas.
Gambar 3 menunjukkan tampilan penampang dari lengkungan acetabular yang
ditunjukkan sebelumnya di Gambar. 7 dari bab "Bahan dan Struktur Implan".
Penyisipan tersebut menggambarkan bagaimana proses selaput tulang dapat terjadi pada
sistem perancah tipe ini.
Seperti yang telah kami catat sebelumnya, baik teknik jaringan dan penyembuhan
jaringan memiliki perhatian yang sama: kebutuhan untuk membangun pembuluh darah
baru di seluruh bagian yang baru atau membangun kembali jaringan. Hal ini terutama
berlaku untuk membangun kembali kulit, organ tubuh terbesar. Vaskularisasi diperlukan
untuk menjaga jaringan, seperti kulit, hidup. Kulit terdiri dari dua lapisan: epidermis
(atau lapisan luar) dan dermis (lapisan dalam). Kulit berfungsi menjaga cairan vital di
tubuh dan patogen berbahaya keluar. Ini juga membantu mengatur suhu tubuh. Dermis
berisi pembuluh darah, saraf, kelenjar keringat, minyak, dan rambut. Dermis terutama
terdiri dari serat jaringan ikat seperti kolagen, dan ini memberi nutrisi pada epidermis.
Rekayasa jaringan dan bioteknologi telah mengejar penciptaan pengganti kulit yang
sesuai dan optimal karena ada sekitar dua juta orang setiap tahunnya yang menderita
berbagai tingkat luka bakar, radang dingin, dan gangguan vaskularisasi atau venus
macrocirculation yang menyebabkan lesi kulit trofik. Pada awal 500 SM, ahli bedah
Hindu melakukan rekonstruksi hidung yang melibatkan penyambungan kulit dari
hidung pasien. Xenograf (pengganti kulit yang dipanen dari hewan untuk digunakan
sebagai cangkokan sementara pada manusia) untuk cakupan luka dilaporkan telah
menggunakan kulit kodok pada awal 1500 SM, sedangkan kulit babi adalah xerograft
yang paling umum dalam praktik modern. Autografts (atau cangkok kulit yang
dibangun dari kulit pasien sendiri) dan juga allografts (cangkokan kulit yang terbuat
dari kulit mayat) adalah bentuk utama perbaikan kulit sampai akhir abad ke-20.
Kulit sintetis pertama ditemukan oleh John Burke dan Ioannis Yannas pada 1970-an
yang menggunakan serat kolagen dan molekul gula yang panjang untuk membentuk
bahan polimer berpori yang menyerupai kulit (Yannas dan Burke 1980). Mereka
kemudian menciptakan kulit buatan dengan menggunakan polimer dari tulang rawan
678
ikan hiu dan kolagen dari kulit sapi (Sheridan,dkk. 1994). Ini menciptakan selaput yang
mirip dengan lapisan dermis manusia, dan lapisan silikon ditambahkan untuk bertindak
seperti epidermis manusia. Kulit sintetis ini berfungsi seperti perancah yang bisa
ditumbuhkan kulit dan pembuluh darah baru, dan saat proses ini berlanjut, perancah
terdegradasi dan diserap oleh tubuh.
Pada pertengahan 1980-an, Joseph Vacanti dan Robert Langer menyusun gagasan untuk
membangun perancah biodegradabel untuk menumbuhkan sel kulit dengan
menggunakan sel fibroblas yang diambil dari kulit khatan neonatal yang dibuang saat
disunat (Longer dan Vacanti 1995). Satu kulup dapat menghasilkan sel yang cukup
untuk menghasilkan kira-kira empat hektar bahan grafting. Fibroblas dapat tumbuh pada
perancah biodegradabel seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.
Matriks kolagen atau campuran kolagen dan fibrin juga dapat digunakan sebagai
perancah biokompatibel bahkan selulosa juga dapat digabungkan dalam matriks
kolagen. Demikian pula, gel dan hidrogel yang disesuaikan telah digunakan untuk
menumbuhkan kembali kulit dengan vaskularisasi. Ini dapat dibuat sebagai penutup
jaringan atau sebagai matriks pertumbuhan dan dapat mencakup gel berbasis kolagen
atau hidrogel yang terdiri dari dekstran terlarut dan polietilen glikol (PEG) (Sun,dkk
2011). Hidrogel tersebut dapat bertindak sebagai perancah untuk pertumbuhan jaringan
lunak dan propagasi lainnya seperti sel saraf dan sejenisnya.
Sementara kulit dapat diregenerasi dan ditanam pada perancah teknik jaringan, ini
merupakan organ 3D yang dangkal (atau lebih tipis) yang kontras dengan organ lain
yang lebih kompleks yang terdiri dari beberapa jenis sel, matriks protein ekstraselular,
dan mikrostruktur khusus (termasuk tubular dan lembar form) yang diperlihatkan
679
fungsi biologi spesifik struktur. Untuk membuat organ yang lebih besar dan kompleks
ini, atau membuat kulit dalam proses pembuatan seperti biofabrikasi atau bioprinting,
Makoto Nakamura, sekitar tahun 2002, mengandung gagasan untuk menggabungkan sel
hidup dalam hidrogel bola yang meniru tinta cetak printer inkjet. . Pada tahun 2008,
Nakamura dan rekan kerja telah menciptakan bioprinter kerja yang bisa mencetak
biotubing yang mirip dengan pembuluh darah (Nakamura,dkk., 2005). Sekitar waktu
yang sama, Gabor Forgacs di Universitas Missouri, bersama rekan kerja, membentuk
perusahaan bioprinting komersial, Organovo, yang mencetak pembuluh darah
fungsional dan jaringan jantung yang menggunakan sel dari seekor ayam ( Mironov
dkk. 2007, 2009). Dalam proses bioprinting, agregat sel hidup khusus menciptakan
spheroid bioink yang disuntikkan oleh kepala printer ke substrat atau biopaper yang
terbuat dari kolagen, gelatin, atau hidrogel lainnya. Karena lebih banyak lapisan speroid
bioink secara selektif ditambahkan lapisan demi lapis, substrat dasar air (biopaper) larut,
dan speroid sel bioink bergabung bersamaan seperti yang digambarkan secara skematis
pada Gambar 4.
Telah ditunjukkan bahwa sel spesifik yang terdapat pada speroid bioink mampu menata
ulang diri (self-assembly) setelah dicetak. Sebagai contoh, pembuluh darah
eksperimental telah dicetak bioprint dengan menggunakan speroid bioink yang terdiri
dari agregat sel fibroblas, sel otot polos, dan sel endotel. Setelah dicetak seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 4, sel endotel berpindah ke bagian dalam pembuluh darah
Gambar 4 3D bioprinting struktur organ atau jaringan menggunakan bioink spheroids sel atau tipe multicell agregat yang disuntikkan ke dalam biopaper berbasis air. (1) bioink spheroids dicetak ke lapisan gel biopaper. (2) lapisan tambahan dicetak untuk membangun objek. (3) Bioink spheroids bergabung bersama; biopaper larut (4) produk jaringan akhir yang dapat mencakup rezim seluler khusus yang membentuk komponen fungsional yang dibentuk oleh perakitan sendiri (adapted from Organovo graphic, Inc.
(Courtesy of Organovo, Inc.))
680
bioprint, sel otot polos bergerak ke tengah dinding, sementara fibroblas menempati
dinding luar (Forgacs 2012).
Implikasi dari teknologi ini adalah bahwa organ tubuh manusia dapat dibuat dengan
pencetakan 3D atau manufaktur aditif. Sejalan dengan itu, organ-organ yang spesifik
untuk individu dapat diproduksi dengan menggunakan pemindaian mikro-CT untuk
menanamkan morfologi organ dalam perangkat lunak CAD, sementara menggunakan
sel donor khusus atau spesiasi sel induk dengan DNA donor untuk menghasilkan organ
spesifik pasien yang serupa dengan pasien spesifik fabrikasi komponen implan seperti
yang dijelaskan sebelumnya. Kita akan membahas prospek ini secara lebih rinci di Bab
11.
681
Referensi
Bose S, Roy M, Bandyopadhyay A (2012) Recent advances in bone tissue engineering scaffolds. Trends Biotechnol 30(10):546 554Forgacs G (2012) Tissue engineering: perfusable vascular networks. Nat Mater 11:746747Karp JM, Dalton PD, Shoichet MS (2003) Scaffolds for tissue engineering. MRS Bull 28:301 306Longer R, Vacanti JP (1995) Tissue engineering. Science 14:920 921Mironov V, Prestwich G, Forgacs G (2007) Bioprinting living structures. J Mater Chem 17:2054 2060Mironov V, Visconti RP, Kasyanov V, Forgacs G, Drake CJ, Markwald RR (2009) Organ printing: tissue spheroids as building blocks. Biomaterials 30:2164 2174Nakamura M, Kobayashi A, Takagi F, Watanabe A, Hiruma Y, Ohuchi K, Iwasaki Y, Hovie M, Morita I, Takatoni S (2005) Biocompatible inkjet printing technique for designed seeding of individual living cells. Tissue Eng 11:1658 1666Reis de Vasconcellos LM, Leite DO, de Oliveira FN, Carvalho YR, Alves Cairo CA (2010) Evaluation of bone ingrowth into porous titanium implant: histomorphometric analysis in rabbits. Braz Oral Res 24(4):1 9 Sheridan RL, Hegarty M, Tonpkins RG, Burke JF (1994) Artificial skin in massiveburns results to 10 years. Eur J Plast Surg 17(2):91 93Sun G, Zhang X, Shen Y, Sebastian R, Dickinson LE, Fox-Talbot K, Reinblatt M,Steenbergen C, Harman JW, Gerecht S (2011) Dextran hydrogel scaffolds enhance angiogenic responses and promote complete skin regeneration during burn wound healing. Proc Natl Acad Sci U S A 108(52):20976 20981 Wong WH, Mooney DJ (1997) Synthesis and properties of biodegradable polymers used as synthetic matrices for tissue engineering. In: Atala A, Mooney DJ (eds) Synthetic biodegradable polymer scaffolds. Birkhausen, Boston, pp 83 95Yannas IV, Burke JF (1980) Design of an artificial skin. I. Basic design principles. J Biomed Mater Res 14:65 81
682
BAB 11
Pemrosesan Bahan Modern dan Fabrikasi: Teknologi Manufaktur
Printing dan Aditif 3D (Advanced Materials Processing andFabrication:
3D Printing and Additive Manufacturing Technologies)
683
Fotolitografi Terapan Sirkuit Terpadu (IC) Mikrofabrikasi
(Photolithography Applied to Integrated Circuit (IC) Microfabrication)
Daftar Isi Pengenalan : Fundamental Fotolitografi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683Fundamental Mikrofabrikasi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 686Referensi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..690
Abstrak
Fotolitografi yang berkaitan dengan dasar litografi dijelaskan dan diterapkan pada
proses litografi yang digunakan dalam memproduksi sirkuit terpadu (sirkuit lanjutan /
ICs) dan struktur perangkat elektronik berlapis. Struktur ini memiliki beberapa
ketebalan atau batasan lapisan namun strukturnya berlapis-lapis pada lanskap
elektronik, biasanya substrat silikon yang sangat tipis.
Pengenalan : Fundamental fotolitografi
Teknologi pembuatan aditif atau teknologi pencetakan 3D menggunakan proses
pembuatan lapisan demi lapisan untuk membuat struktur monolitik 3D dengan
menggunakan strategi atau model CAD. Teknologi ini juga dikenal sebagai fabrikasi
optik, foto-solidifikasi, atau bentuk bebas fabrikasi padat (solid freeform fabrication /
SFF). Secara umum, teknologi ini disebut stereolithography (SLA), sebuah istilah yang
diciptakan oleh Charles Hull pada tahun 1986. Namun, stereolithografi dapat secara
konseptual berkaitan dengan garis keturunan proses litograf. Litografi, metode untuk
mencetak menggunakan batu kapur (atau batu datar lainnya; dari litosGreek, yang
berarti batu, dan graphein, yang berarti menulis), ditemukan oleh Alois Senefelder
sekitar tahun 1797 dan digunakan oleh seniman untuk menghasilkan cetakan karya
mereka. Dalam proses ini, seniman menggambar gambar di permukaan batu datar atau
datar (terutama batu gamping) dengan campuran lilin, sabun, lampblack (tinta), dan air
hujan. Gambar ini akan menghilangkan air, sementara permukaan batu di sekitarnya
yang tidak dilapisi akan mempertahankan air, permukaan selektif hidrofobik / hidrofilik.
684
Daerah hidrofobik (gambar) dapat didaur ulang dengan tinta dalam matriks berminyak
(lilin) untuk memungkinkan pencetakan atau pengalihan gambar tinta ke kertas atau
medium lain yang sesuai. Namun, gambar dalam litografi normal dibalik, namun bisa
diimbangi dengan mentransfer gambar ke lembaran fleksibel seperti karet dan kemudian
dicetak dari gambar tengah (terbalik). Ini adalah format pencetakan standar hari ini
kecuali gambar dibuat dari lapisan polimer yang dilekatkan pada pelat aluminium
fleksibel yang ditempelkan pada sistem pelat roller seperti yang diilustrasikan pada
Gambar 1. Litografi offset modern atau litografi bervolume tinggi yang digunakan
untuk menghasilkan surat kabar, majalah, buku, poster, dan format gambar kertas
lainnya tergantung pada fotografi atau proses fotografi. Dalam proses fotokritografi asli,
gambar dipotret secara fotografis ke permukaan batu atau lempeng aluminium fleksibel
yang lebih efisien. Proses ini menyebabkan memecah foto asli menjadi titik-titik dengan
ukuran yang bervariasi sesuai dengan produksi pers yang kemudian dikenal sebagai
proses halftone untuk produksi kembali.
Pencetakan warna multicolor atau kromolitografi menggunakan batu atau pelat
aluminium terpisah untuk setiap warna, dan kertas atau media yang akan dicetak harus
melewati mesin cetak untuk setiap warna pada cetakan akhir. Registri yang tepat
diperlukan untuk memastikan bahwa setiap warna ditempatkan pada posisi yang tepat
pada masing-masing cetakan. Ini juga dipecah dalam proses halftone yang
menghasilkan titik warna yang dapat dicetak, dengan resolusi gambar yang ditentukan
Gambar 1 Bagian tengah litografi tampilan skematis
685
oleh jumlah titik yang tercetak di area unit: biasanya titik p er inci (dpi) di area satu inci
di sampingnya. Dalam pembuatan pelat litograf, lapisan polimer bersifat fotosensitif
dan tahan terhadap asam atau senyawa etsa lainnya. Bahan ini disebut sebagai
photoresist, yang bila terkena foto negatif pengerasan dimana gambar negatif
memungkinkan cahaya melewatinya. Photoresist dikembangkan dengan pembilasan
dalam pelarut yang menghilangkan area yang lentur. Area gambar pada piring yang
disiapkan membutuhkan tinta seperti yang disebutkan sebelumnya. Dalam pencetakan
tengah (atau litografi) seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1, setiap warna tinta
diterapkan secara terpisah - satu untuk setiap lempeng. Namun, titik-titik warna empat
tinta - cyan (biru), magenta, kuning, dan hitam - diendapkan dalam pola tertentu,
menciptakan penambahan warna yang menghasilkan berbagai macam warna yang
dirasakan.
Hal ini disebut sebagai empat warna percetakan atau litografi proses empat warna.
Gambar 2 mengilustrasikan dasar-dasar warna ini, yang dengan berbagai cara dapat
diterapkan pada pembentukan atau proyeksi gambar warna, termasuk layar gambar tiga-
fosfor dot atau layar datar yang melibatkan titik warna LCD atau LED (atau area).
Sejalan dengan itu, pencetakan inkjet dapat mencetak titik-titik warna dalam pola yang
sama untuk menciptakan warna penuh, atau persepsi dari berbagai warna warna saat
lebih dari empat warna dicetak. Akan diamati kemudian bahwa array inkjet dapat
digunakan untuk dicetak dalam tiga dimensi seperti yang digambarkan secara
konseptual dalam Gambar. 9 bab 6 "Energi Kimia: Nanopartikel" untuk pencetakan sel
3D atau bioprinting.
Gambar 2 Penambahan warna. (a) Standar tengah cyan (C), magenta (M), dan kuning (Y). Tambahan biru-hijau-biru karakteristik warna tampilan.
686
Fundamental Mikrofabrikasi
Sirkuit terpadu, sirkuit terpadu monolitik (IC), atau yang sering disebut microchip
dibuat oleh lapisan ganda, tumpang tindih, fungsional, berpola yang ditentukan oleh
fotolitografi. Pola dibuat pada permukaan semikonduktor datar, biasanya silikon yang
mirip dengan sensitisasi photoresist dalam bagian tengah litograf, meskipun urutan
warna (gambar) mewakili fungsi elektronik atau daerah fungsional konduktor, isolator,
atau urutan doping untuk menciptakan perangkat memori. Ini sering merupakan
transistor efek oksida logam-oksida-semikonduktor (CMOS) yang terbentuk setiap kali
lapisan gerbang (polisilikon atau logam) melintasi lapisan difusi yang menciptakan
daerah semikonduktor tipe-n atau p seperti yang digambarkan secara skematik pada
Gambar 3 (Baker 2010).
Proses ini dimulai dengan lapisan spin silikon yang sangat tipis dengan photoresist yang
mirip dengan pelat tengah litografi. Sebuah photomask yang mencirikan elemen sirkuit
atau sirkuit dalam gambar fitur kecil diproyeksikan ke photoresist wafer dengan
menggunakan sinar yang intens, biasanya sinar ultraviolet (UV). Dalam fabrikasi IC
modern, laser excimer UV dalam (krypton fluorida (KrF)) memiliki panjang gelombang
248 nm atau argon fluorida (ArF) pada panjang gelombang 193 nm telah digunakan.
minimum yang dapat dicetak oleh sistem proyeksi:
(1)
Gambar 3 transistor medan efek CMOS (n dan tipe p) dibuat pada substrat silikon tipis yang sama.
687
.
gelombang, K adalah faktor proses yang umumnya diasumsikan memiliki nilai 0,4, dan
NA adalah aperture numerik lensa relatif terhadap permukaan wafer. Sementara ini
mencirikan peran perancangan untuk dimensi lateral dari fitur di bidang IC (atau silikon
tipis), kedalaman fokus (DF) menghadirkan kendala yang bersaing karena membatasi
ketebalan photoresist dan topografi wafer atau lapisan fungsional. ketebalan:
Gambar 4 Hukum Moore: Transistor per chip pada tahun produksi (data Intel). Hanya beberapa jenis chip prosesor yang tercatat.
688
(2)
dimana K 'adalah parameter lain yang berhubungan dengan proses.
Umumnya, CD di Pers. 1 dari bab "pencetakan 3D : Printer Elektronik" dihubungkan
dengan ukuran sirkuit atau jumlah transistor (atau elemen memori) pada chip IC, yang
telah mengikuti hukum ganda atau hukum Moore. Pada tahun 1965, Gordon Moore,
salah satu pendiri Intel, mencatat bahwa jumlah transistor pada sebuah IC chip akan
berlipat ganda setiap 18-24 bulan. Hukum ini secara umum diikuti sampai sekarang
(2013), di mana kerapatan chip Intel melebihi 10 miliar transistor seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 4. Sejalan dengan itu, ukuran fitur minimum dalam
pembuatan chip ( Persamaan 1 bab "Pencetakan 3D: Printer Elektronik ") mengalami
Gambar 5 Tampilan cross-sectional yang menunjukkan transistor CMOS pada susunan komposit chip. GND dan VDD menunjukkan kontak tegangan tanah dan di atas tanah (Adapted from Maly 1987).
689
penurunan dari 500 nm pada tahun 1990 menjadi di bawah 45 nm pada tahun 2010,
dengan CD ( Persamaan 1 dari bab" 3D Printing: Printed Electronics ") mendekati ~ 10
nm pada tahun 2020. Batas akhir perampingan akan kira-kira jarak antara atom substrat
silikon, 0,3 nm. Tren frekuensi operasi (atau clock speed) untuk prosesor Intel juga
meningkat dari ~50 MHz pada tahun 1990 menjadi ~3 GHz pada tahun 2010.
Klasifikasi ukuran sirkuit IC juga berubah dari integrasi skala kecil (SSI) pada tahun
1963 menjadi integrasi skala menengah pada tahun 1970 ( Gambar 4), integrasi skala
besar (LSI) pada tahun 1975, integrasi skala sangat besar (VLSI) pada tahun 1980,
integrasi ultra-skala besar (ULSI) pada tahun 1990, dan integrasi skala giga (GSI)
setelah tahun 2010 Gambar 4). Revolusi VLSI dimulai sebagian besar seperti yang
dicontohkan oleh teks klasik oleh Carver Meade dan Lynn Conway, "Pengenalan
Sistem VLSI " yang diterbitkan pada tahun 1980 (Meade dan Conway 1980).
Gambar 5 mengilustrasikan contoh tampilan penampang melintang dari chip fabrikasi
dengan substrat Si tipe p terbalik, berbeda dengan Gambar 9.3, yang menunjukkan
transistor nMOS dan pM OS. Chip tipis CMOS modern akan melalui siklus
fotolitografik sebanyak 50 kali. Sementara ini merupakan fitur fabrikasi lapisan demi
lapisan, rangkaian terpadu telah dikenal sebagai rangkaian terpadu monolitik atau chip
fungsional tunggal. Monolith elektronik litograf 3D yang benar-benar 3D dapat
dibangun dengan menumpuk chip dan menghubungkannya secara vertikal, melakukan
vias. Ini adalah fitur yang sulit untuk dicapai dalam proses produksi yang tersusun.
Fotolitografi (atau litografi optik) seperti yang diilustrasikan dalam konteks litograf
laser excimer UV yang tersirat dalam Persamaan. 1 dan 2 dari bab "Perancah Teknik
dan Material Perancah" dan seperti yang diterapkan pada Gambar 5, beberapa prinsip
dasar dengan cetak litografi warna tengah (Gambar 1) karena pola fotografis (mask)
dibuat dalam photoresist atau tahanan gambar melalui eksplan laser excimer UV dengan
fitur desain dari setiap fungsi lapisan yang ditandai dengan warna: hijau, n-difusi;
merah, polisilikon; biru, metal; kuning / coklat, p-difusi; dan magenta (ungu) dan cyan
(biru muda), metalisasi 2 dan 3, masing-masing. Namun, paparan ini dapat dilakukan
dengan menulis langsung pola oleh laser atau dengan berkas elektron, dan tahap
selanjutnya dalam proses litografi memiliki lebih banyak kesamaan dengan etsa
daripada pencetakan litograf (Gambar 1). Fotoresis dapat positif (lebih larut) atau relatif
negatif terhadap kelarutan pada pengembang area yang terlihat.
690
Referensi Baker RJ (2010) CMOS: circuit design, layout, and simulation, 3rd edn. Wiley/IEEE, New York Maly W (1987) Atlas of IC technologies: an introduction to VLSI processes. Benjamin/Cummings, Menlo Park Meade CA, Conway L (1980) Introduction to VLSI systems. Addison-Wesley, Boston.
691
Pencetakan 3D : Alat Cetak Elektronik (3D Printing: Printed
Electronics)
Daftar Isi Pengenalan Pencetakan Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .691Printer Inkjet : Komposis Tinta dan Propertinya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..698Referensi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .709
Abstrak
Selain fotolitografi untuk menghasilkan sirkuit terpadu dan sistem perangkat elektronik,
pencetakan 3D dapat memungkinkan sirkuit ini dicetak langsung menggunakan
komposisi tinta atau nanopartikel baru dan kepala printer terpadu. Barang elektronik
cetak dalam berbagai bentuk dan inovasi dapat merevolusi manufaktur elektronik. Bab
ini menguraikan perkembangan kontemporer dan inovasi masa depan dalam pencetakan
elektronik 3D.
Pengenalan Pencetakan Elektronik
Dalam kasus papan sirkuit tradisional, laminasi dilapisi tembaga secara selektif terukir
di daerah berpola yang tidak terlindungi oleh tahanan atau jalur konduktif tembaga (atau
kabel) dilapisi langsung ke permukaan laminasi. Proses ini dapat melibatkan sablon,
litografi tengah, pencetakan gravure pada permukaan datar, flexography, dan
pencetakan inkjet pada permukaan fleksibel, termasuk lembaran polimer dan kertas.
Elektronik cetak telah berkembang menjadi kelas baru dari sistem material dengan
aplikasi di photovoltaics (platform sel surya seperti lembaran kolektor surya yang
fleksibel), antena pada permukaan melengkung atau fleksibel, efek visual dan display,
dan bahkan peralatan elektronik sekali pakai. Sistem cetak atau cetak ini dapat
melibatkan anorganik elektronik yang ditandai dengan lapisan dan antarmuka yang
sangat teratur atau bahan organik (polimer), termasuk display multicolor A.C.
electroluminescent (EL) yang melibatkan 6-8 lapisan anorganik yang dicetak, termasuk
fosfor berlapis tembaga, pada substrat film polimer. Demikian pula,
692
Perangkat anorganik (EL) LED juga dapat dicetak bersamaan dengan transistor efek
medan organik (OFETs) dan dioda pemancar cahaya organik (OLED) dan sel
fotovoltaik organik (OPVCs). Ini dapat dengan mudah dicetak oleh inkjet bersamaan
dengan melakukan interkoneksi tinta. Konfigurasi baru juga bisa dicetak pada lanskap
kain yang bisa menggabungkan benang polimer konduktor sebagai interkoneksi.
Gambar 1 menunjukkan beberapa contoh elektronik tercetak pada substrat fleksibel
yang keripik atau perangkat permukaan lainnya dapat dilekatkan juga.
Salah satu aspek yang lebih baru dari pencetakan elektronik 3D melibatkan rangkaian
LED. Rangkaian ini dapat melibatkan LED anorganik, LED organik, dan hibrida yang
dibuat sebagian dari bahan anorganik dan sebagian dari bahan organik / polimer. LED
anorganik berdasarkan GaN yang ditanam pada substrat safir (hcp-Al2O3) seperti yang
digambarkan secara skematis pada struktur LED Gambar 2a, atau AlGaInP / GaAs yang
dibuat pada substrat GaAs seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2b, memerlukan
suhu proses yang tinggi, namun secara khas sangat sesuai dengan lapisan dan
Gambar 1 Dicetak elektronik sirkuit tipis, fleksibel, substrat polimer (a) berpola, sirkuit inkjet pada lembaran polimer (b) Perangkat pemasangan di permukaanfleksibel, berpola elektronik sirkuit (sirkuit flex) foto dicetak secara litograf.
693
penghubung. Hal ini memberikan kecerahan, daya tahan, dan efisiensi energi yang
tinggi (> 50%) dan tahan kelembaban. Sejalan dengan itu, struktur perangkat ini sulit
jika tidak mungkin dibuat secara langsung pada substrat fleksibel seperti polimer atau
kertas, namun ada yang baru.
konsep untuk transfer LED anorganik ke substrat fleksibel semacam itu dengan,
misalnya, pengangkatan laser dan pencetakan kontak (Chun et al 2012.).
Gambar 2 Struktur LED struktur planar GaN / InGaN (420 nm) konvensional, dan AlGaInP / GaAs (650 nm) LED (b). Dalam susunan kuantunm baik (QW) yang aktifdapat terdiri dari susunan terner n atau tipe p dengan lapisan dalam P-GaN yang dapat menghasilkan cahaya polikromatik. Di (b), daerah aktif juga dapat terstruktur sebagai daerah berlapis p-n polikromatik. Kontak logam sering terjadi pada paduan Ni / Au, Al, Au, atau Ti / Ni / Au.
694
Sementara LED anorganik dapat dibuat sekecil 10 pM di samping, mata manusia tidak
manusia sensitif terhadap cahaya pada spektrum yang terlihat, mulai dari biru / violet (~
400 nm) melalui panjang gelombang merah (~700 nm), mata paling sensitif terhadap
cahaya hijau (panjang gelombang ~555 nm). Lampu hijau juga mempengaruhi persepsi
cahaya putih ( Gambar 2 bab "Fotolitografi Terapan untuk Mikrofilm Terpadu (IC)"
bersama dengan warna merah dan biru yang tersedia di LED, sementara hijau tidak
disempurnakan dengan baik. InxGa1-xN, LED berbasis paduan adalah perangkat hijau
yang paling menjanjikan. ZnO, yang memiliki struktur kristal yang sama (heksagonal
wurtzite) sebagai GaN, dapat disimpan di tempat lapisan GaN seperti yang digambarkan
pada sinar putih lanjutan.
.
Konsep yang diilustrasikan pada Gambar 3. Dalam fabrikasi perangkat ini, deposisi uap
kimia logam (MOCVD) digunakan untuk menumbuhkan lapisan GaN, dan InGaN
(aktif) serta lapisan pemblokiran AlGaInN (ditunjukkan oleh CBL pada Gambar 3) ,
sementara pertumbuhan dorongan deposisi laser (PLD) membentuk lapisan ZnO. Ini
adalah proses sekuensial yang serupa dengan yang digunakan dalam fabrikasi chip
Gambar 3 LED generasi cahaya putih dengan penambahan warna ( Gambar 2 dari bab "Fotolitografi Terapan untuk Sirkuit Terpadu (IC) Mikrofabrikasi") (a, b) menunjukkan skema struktur LED hijau hibrida pada substrat safir. CBL menunjukkan layer tahanan AlGaInN saat ini. Lapisan aktif yang mendasari adalah InGaN.
695
VLSI dan ULSI, namun hanya melibatkan beberapa langkah berbeda dengan beberapa
lusin fabrikasi chip.
Berbeda dengan fabrikasi LED anorganik pada substrat kristal datar, fabrikasi LED
organik dapat dilakukan pada substrat fleksibel, termasuk lembaran polimer dan kertas.
Substansi polimer fleksibel bisa menjadi jelas. Struktur LED Organik (OLED) dapat
dibuat sebagai perangkat tunggal atau multilayer (berlapis) seperti yang digambarkan
secara skematik pada Gambar 4. Lapisan polimer dapat diterapkan oleh pengendapan
uap dalam ruang hampa atau oleh deposisi fase uap organik bertekanan rendah (OVPD).
Lebih penting lagi, deposisi inkjet juga merupakan jalur yang layak yang mengurangi
biaya dan memungkinkan pencetakan susunan OLED ke substrat fleksibel yang sangat
besar. Multilayer atau tumpukan susunan OLED dapat menghasilkan cahaya putih
seperti yang tersirat dalam Gambar. 2 bab "Fotolitografi Terapan untuk Mikrofabrikasi
Sirkuit Terpadu (IC)" dan Gambar 3.
Biasanya,tebal OLED ~0,1-
Gambar 4b, lapisan pengatur di bawah anoda mengangkut lubang darinya. Seperti
dicatat, polianilin (PANI) adalah polimer konduktor umum di lapisan ini. Lapisan
emisif (Gambar 4b) terdiri dari komponen polimerik yang berbeda (polifluorena (PFO))
yang mentransport elektron dari katoda transparan (yang dapat berupa timah oksida
indium (ITO) atau polimer transparan konduktif seperti PEDOT: PSS) untuk
membentuk cahaya yang dipancarkan. OLED sering rentan terhadap oksidasi dan
biasanya ditutup dengan lapisan encapsulating polimer yang bening. Selain itu, efisiensi
emisi umumnya lebih rendah daripada emisi LED anorganik, walaupun OLED
berukuran besar, fleksibel, dan putih sedang diproduksi secara komersial dengan
efisiensi energi 2-3 kali lebih tinggi daripada lampu pijar, dan kecerahan sebanding
dengan lampu neon. Sementara konsumsi daya paling banyak hampir dua lipat lebih
kecil dari
696
lampu pijar untuk menghasilkan kecerahan yang sama (~ lW / 25 lm output), masih ada
kehilangan panas yang harus dilepas agar efisiensi pengoperasian tetap terjaga.
Akibatnya, manajemen termal merupakan fitur penting dalam desain LED dan strategi
fabrikasi.
Karena bahan organik dan polimer dapat bertindak sebagai semikonduktor tipe n dan p
baik dalam fabrikasi heterojunction, memungkinkan untuk membuat transistor tipe npn
dan pnp atau transistor efek medan organik (OFETs) yang juga dapat bertindak sebagai
Gambar 4 struktur OLED. (a) Struktur lapisan tunggal (b) 2 lapisan yang menggambarkan komponen polimer. PEDOT, PSS mewakili poli (3, 4-etilenoksiionienaena): poli (styrenesulfonat), polimer konduktif transparan, ITO adalah timah oksida indium, semikonduktor transparan. Lapisan polimer (monomer) dimasukkan.
697
unipolar atau pemancar cahaya ambipolar OFET (Klauk 2010). Akibatnya, sirkuit
terpadu yang fleksibel, khususnya IC berbasis polimer atau organik, dapat dibuat,
namun tidak dengan ukuran fitur kecil yang dapat dicapai dalam fabrikasi IC
konvensional seperti yang dijelaskan sebelumnya.
Kemampuan untuk secara selektif mencetak fungsi perangkat komponen anorganik dan
organik, terutama dengan menggunakan beberapa bagian atas cetak inkjet, akan
memungkinkan substrat fleksibel area besar, bahkan kertas, untuk digunakan sebagai
kelas baru sistem pencahayaan dan tampilan serta perangkat sekali pakai. Baru, struktur
LED hibrid (Gambar 5) telah dicetak di atas kertas baru-baru ini (Repo,dkk 2013) yang
telah dilapisi dengan resin polimer, sikloten (C6H8O2), dielektrik yang digunakan dalam
Gambar 5 Struktur LED berwarna putih hibrid. (a) Lapisan ZnO terdiri dari nanorods berorientasi pada matriks PMMA. (b) ZnO dalam polistiren
698
aplikasi mikroelektronik komersial sebagai isolator. Kertas bisa bermasalah untuk
elektronik atau mikroelektronika kecuali jika kertas selesai atau matriks tinta, atau
keduanya, dapat disesuaikan dengan tepat untuk menjaga fungsionalitas optimal.
Kemampuan tinta untuk mempartisi fungsionalitas perangkat - konduktor logam,
susunan semikonduktor, aplikasi lapisan isolasi, dll - akan dijelaskan lebih rinci di
bawah ini.
Pencetakan wallpaper putih dan bercahaya untuk penerangan rumah atau kantor
menggunakan rangkaian LED adalah prospek yang sangat menarik. Selain itu, baru-
baru ini telah ditunjukkan bahwa sel surya GaAsGe yang dicetak bisa melebihi efisiensi
konversi 40%. Ini kira-kira delapan kali dari sel polimer yang paling efisien, dan hampir
sama dengan sel berbasis Si yang lebih konvensional (Repo et al 2013), dan fotovoltaik
transparan terlihat yang dapat digabungkan ke dalam kaca jendela, membuat kolektor
surya jendela (Lunt 2012).
Penelitian terbaru juga telah diarahkan pada pengembangan baterai polimer berbasis
kertas dengan menggunakan lapisan komposit selulosa / polipirol (ppy) yang melapisi
kertas lembut (atau selulosa) yang direndam dengan elektrolit, dengan kontak logam Pt
(Nystro¨m, et al , 2009). Polypyrroles adalah polimer konduktor tipe pentagonal yang,
bersama dengan bahan polimer konduktor terkait, ditemukan oleh A.G. MacDiarmid
yang menerima Hadiah Nobel dalam bidang kimia pada tahun 2000 (MacDiarmid
2001). Komponen ini dapat dicetak dalam matriks tinta yang sesuai dari kepala inkjet
yang dipilih. Seperti yang ditunjukkan kemudian, adalah mungkin untuk
mengintegrasikan beberapa pencetakan perangkat ke kain atau pencetakan kain serta
sejumlah substrat fleksibel lainnya.
Printer Inkjet : Komposisi Tinta dan Propertinya
Pada tahun 1867, Raja Kelvin mengembangkan perangkat cetak pertama yang
menggunakan tetesan tinta yang dipancarkan dari lubang atau nosel untuk merekam
garis termodulasi yang mewakili titik-titik dan garis-garis kode Morse dalam transmisi
telegraf. Hewlett Packard memperkenalkan printer inkjet desktop pertama untuk
hardcopy komputer pada tahun 1984. Printer inkjet kontinu adalah printer pertama yang
digunakan untuk mencetak gambar dari tetesan tinta bermuatan konstan yang dapat
dibelokkan ke dalam sistem daur ulang atau memungkinkan untuk mempengaruhi
699
kertas. Printer drop-on-demand yang lebih populer mengeluarkan tetesan tinta tunggal
sesuai kebutuhan. Printer inkjet termal, atau printer gelembung jet, menggunakan
elemen pemanas di bagian kepala cetak (inkjet) untuk menguapkan beberapa tinta dan
membuat gelembung. Gelembung itu mengeluarkan setetes tinta dari lubang printer.
Pada printer drop-ondemand, reservoir kepala printer juga dapat dipanaskan untuk
menciptakan tegangan permukaan viskositas yang diperlukan dan viskositas, sementara
perangkat piezoelektrik menciptakan pulsa tekanan untuk mengeluarkan tetesan dari
lubang. Nosel atau lubang seringkali mudah diganti karena banyak tinta dapat
menyebabkan erosi nosel yang dapat mengubah ukuran tetesan.
Pencetakan inkjet, terlepas dari struktur atau format pencetakan tertentu, sangat
bergantung pada ukuran tetesan dan dinamika penyebaran. Rangkaian dan susunan
organik yang fleksibel, terutama yang termasuk OFET atau OLED, sangat sesuai untuk
pencetakan inkjet karena polimer semikonduktor dan polimer insulasi seperti sikloten
khususnya dapat disesuaikan dengan pembentukan tetesan dan pengendapan ke substrat,
seringkali melalui pemanasan kepala inkjet. Tetesan inkjet diukur dalam picoliters (10-12
l). Printer inkjet mengeluarkan tetesan yang memiliki volume antara 1 dan 4 picoliters
pada
-kira 1 juta nanopartikel
10 nm dengan diameter. Karena ukuran tetesan kecil, tetesnya bulat dan dikendalikan
oleh tegangan permukaan. Ukuran drop kecil ini bisa diterjemahkan ke dalam ukuran
pola tinta yang lebih kecil atau lebih besar tergantung pada penyerapan atau
pembasahan substratnya. Endapan tetesan komponen tunggal seperti bahan polimer
spesifik berbeda dari tinta yang lebih konvensional sehingga droplet berfungsi sebagai
matriks atau pengikat untuk partikel tinta, yang untuk pencetakan elektronik dapat
partikel anorganik seperti nanopartikel atau bahkan nanorod, terutama untuk melakukan
kontak logam atau interkoneksi kabel.
700
Gambar 6 mengilustrasikan cetakan inkjet piezoelektrik (piezo) pada permukaan
pembasahan (hidrofilik) ke permukaan kiri dan permukaan yang relatif tidak membasahi
(hidrofobik) ke kanan. Mencetak struktur 3D seperti komponen organ yang
diilustrasikan secara konseptual dalam Gambar. 4 dari bab "Perancah Teknik Mesin
dan Bahan Perancah" serta struktur 3D lainnya seperti struktur elektronik 3D
memerlukan pengulangan bagian atas printer, dan endapan lapisan kemudian tidak
Gambar 6 Skema inkjet Drop-on-demand. Kepala printer memiliki generator piezo untuk melepaskan pelepas dan pemanas reservoir untuk memanaskan tinta. Substrat juga dapat dipanaskan seperlunya untuk partikel tinta anil atau sinter, terutama konduktor interkoneksi partikel logam nanopartikel dan kontak perangkat. Pembebanantetesan yang berbeda juga diilustrasikan.
701
terpengaruh oleh substrat. Namun, untuk lapisan tipis interkoneksi, tetesan akan
tumpang tindih, dan pengikatnya akan dihilangkan dengan pemanasan.
Untuk endapan inkjet konduktor logam, Cu, Ag, Au, dan Pt telah digunakan bersamaan
dengan Al, meskipun Al merupakan konduktor terlemah. Ukuran partikel sangat
penting karena keadaan yang paling diminati adalah material dimana pengikat dapat
diuapkan sementara partikel logam sinter (atau meleleh) bersamaan. Tapi dalam bentuk
curah, bahkan Al meleleh jauh di atas suhu yang bisa ditoleransi dengan fabrikasi
elektronik 3D yang fleksibel, terutama perangkat polimer. Namun, telah lama diketahui
bahwa titik leleh ditekan untuk bahan nanopartikel dari semua jenis, termasuk
nanopartikel keramik dan logam. Penekanan titik lebur ini menurun dengan ukuran
partikel berkurang seperti yang ditunjukkan secara umum oleh Buffat dan Borel (1976)
(1)
dimana Tb dan Tp mewakili titik lebur dan titik leleh partikel (terutama nanopar
H adalah titik
adalah jari-
bebas uap cair (atau tegangan permukaan), masing-masing.
Gambar 7 mengilustrasikan penurunan titik lebur untuk penurunan ukuran partikel emas
dan perak ukuran nanopartikel. Nanopartikel perak di kisaran 5 nm telah terbukti
memiliki suhu leleh 140 ° C dan nanopartikel ini, seperti Au dengan ukuran yang sama
(Gambar 7), dapat diproduksi dengan pengurangan kimia dari garam logam yang sesuai:
(2)
(3)
Tinta nanopartikel tembaga dapat lebih mudah disiapkan dengan pengurangan oksida
tembaga dan akan bereaksi sama dengan Au dan Ag pada Gambar 7. Tembaga jauh
lebih murah daripada Ag, dan ini merupakan keuntungan dalam proses produksi
bervolume tinggi.
Mengingat Gambar 7 dalam konteks Gambar 5 dalam retrospeksi, perlu untuk menguji
ulang inkjet dan terutama teknologi tinta secara lebih luas. Tinta atau akhirnya tetesan
702
yang dibuat oleh hulu printer berdenyut pada Gambar 5 adalah rezim yang kompleks.
Yang terpenting, partikel tinta (atau partikel nano) harus terdispersi secara merata dalam
matriks atau pengikat. Ini mungkin melibatkan perawatan permukaan seperti pelekatan
ligan organik, dan lain-lain. Tergantung pada fungsi deposisi, partikel (partikel tinta)
dapat berupa nanometals seperti Ag atau Au pada Gambar 7, nanopartikel oksida (yang
mungkin juga mengikuti titik lebur penekanan yang diilustrasikan pada Gambar 7),
partikel semikonduktor seperti CdS, GaN, dll; atau nanopartikel karbon dan nanotube
karbon. Beberapa hulu printer yang mengandung bahan polimer fungsional yang dapat
dipanaskan untuk menentukan kelayakan yang diperlukan, viskositas, tegangan
permukaan, pengendapan deposisi, dan lain-lain, dapat digabungkan dalam susunan
cetak untuk membuat sirkuit elektronik atau hibrid mikroelektronik, dll., Atau perangkat
yang tersirat pada Gambar. 4.
Dalam banyak komposisi tinta (atau tinta tetesan), matriks atau pengikat harus
diformulasikan untuk reologi atau kekentalan yang diperlukan dan tegangan permukaan
Gambar 7 Penekanan titik leleh untuk nanopartikel Au dan Ag. Garis padat untuk Au mewakili bujur sangkar minimal sampai Persamaan. 1, sedangkan garis putus-putus menunjukkan kuadrat terkecil yang sesuai dengan Pers. 1 untuk Ag. Data eksperimen (titik) untuk Au adalah karya Buffat dan Borel (1976). Gambar resolusi atom TEM adalah nanopartikel perak yang diadaptasi dari Scholl dkk. (2012). TEM Atomic resolusigambar Au mirip dengan Ag. Dalam grafik, diameter partikel (dalam unit Angstrom)
.
703
dalam kaitannya dengan partikel tinta atau pemuatan nanopartikel (Gambar 6) dan
dampak dari ukuran drop pada penyebaran (atau pembasahan). Dinamika pada substrat
yang berbeda dan peran ukuran nosel. Pengambilan pengikat dan pengoptimalan
konduktivitas melalui pelelehan nanopartikel, dan lain-lain, juga penting dalam
mengendalikan fungsi rangkaian cetak dan komponen perangkat.
Kedua viskositas dan tegangan permukaan untuk sebagian besar cairan dan polimer cair
akan turun dengan suhu. Tegangan permukaan cairan komponen tunggal seperti air atau
alkohol akan mengikuti hubungan yang digambarkan oleh Persamaan. 205 di bab "
Pengenalan Singkat Mekanika Kuantum". Namun, air memiliki tegangan permukaan
tinggi (~73 mJ / m2) dan viskositas rendah, sedangkan alkohol (etanol) rendah tegangan
permukaan (~43 mJ / m2) relatif terhadap air dan viskositas yang rendah. Viskositas
seperti yang dijelaskan oleh hukum aliran kental Newton
(4)
men
-Newtonian. Larutan polimer atau meleleh,
darah, air liur, dan sebagainya, adalah cairan non-Newtonian.
Karena kekentalan dan tegangan permukaan untuk cairan pada umumnya menurun
seiring dengan meningkatnya suhu, maka diharapkan hubungan tersebut dapat terjadi.
centipoise (cP), mengukur ketahanan
terhadap aliran atau gesekan internal cai
berhubungan dengan kemampuan permukaan cair (antar permukaan cairan / uap, LV)
sampai gaya tolak (atau deformasi). Pelofsky (1966) menghubungkan sifat termofisik
ini dengan relasinya:
(5)
Namun, konstanta eksperimental A dan B di Pers. 5 harus dipertimbangkan untuk setiap
cairan tertentu, dan tidak ada hubungan yang sederhana dan umum dapat diterapkan.
Viskositas juga dapat digambarkan dengan persamaan bentuk
(6)
704
Dimana C adalah konstanta fluida spesifik lainnya, Ea adalah energi untuk memisahkan
molekul cairan, R adalah konstanta gas, dan T adalah suhunya. Sebuah sebidang l
berbanding 1 / T akan memberi Ea / R.
Logaritma alami viskositas (l
pembebanan partikel dalam persen berat seperti yang diilustrasikan pada Gambar 6.
Pada kasus nanopartikel logam yang terdispersi dalam air yang dimurnikan (deionisasi),
viscosifier seperti hidroksietil selulosa (HEC) dapat ditambahkan bersamaan dengan
beberapa surfaktan yang sesuai. Pencetakan konduktor dapat melibatkan pembebanan
nanosilver 1-70% (berat), misalnya, dengan tegangan permukaan berkisar antara 20
sampai 40 mJ / m2 untuk pengikat berbasis pelarut dan 30 - 60 mJ / m2 untuk dispersi
berbasis air. Viskositas yang sesuai berkisar antara 1 sampai 200 cP pada suhu kamar,
namun untuk menghasilkan konduktor perak yang terus menerus dan meleleh atau
melakukan pembongkaran interkoneksi, pengikat dapat dipanaskan sampai ~ 60 ° C,
sedangkan substratnya dapat dipanaskan sampai ~140 ° C <5 nm pembebanan partikel
Ag. Biasanya suhu ini juga akan sekaligus membuat pelarut pengikat menguap namun
tidak membahayakan perangkat lain atau melelehkan bahan substrat. Pelarut pengikat
umum telah tersusun dari di (propilen glikol) metil eter (DPM) atau butoksietil asetat
(BEA). Detil tajam sering dicapai dengan tetesan sekecil 6 pL dengan transisi hingga 36
pL untuk pengendapan yang lebih seragam. Hal ini dicapai dengan mengubah lubang
atau memiliki hulu printer dengan berbagai lubang.
Penurunan cairan pada substrat dapat dianggap sebagai penurunan sessile seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 8 dimana sudut kontak (seperti pada Gambar 9 bab
"Biomimetika dan
705
Material Diinspirasi secara
permukaan dan energi bebas permukaan spesifik dari substrat (Fscc) dan energi bebas
LS, diberikan oleh persamaan
Young
(7)
LV tegangan permukaan untuk tetesan cair diberikan sekitar
(8)
drop cairan pada suhu pada substrat, dm adalah diameter drop maksimum seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 8, dan
(9)
dimana H adalah ketinggian yang rendah diukur dari garis diameter maksimum (dm).
Persamaan 8 terutama berlaku untuk tetes kecil (Murr 1975), walaupun semakin kecil
Gambar 8 Cairan (sessile) turun pada substrat padatLC ; (MC) = LS (MC), energi bebas antar muka cair / padat
706
jatuhnya, semakin banyak komposisi kimia (Magdassi 2009), termasuk pemuatan
pengikat (matriks) dengan partikel nano dalam kasus tinta nanopartikel.
Adhesi tetesan cair pada substrat mungkin juga penting dan kerja reversibel dari adhesi
(Wad) dinyatakan sebagai
(10)
Sejalan dengan itu, pembasahan atau hidrofilisitas meningkatkan adhesi praktis,
setidaknya pada saat deposisi tetes pada substrat.
Tentu saja penting untuk mencegah penyumbatan lubang pada hulu printer (Gambar 6),
dan ini mungkin penting dalam mencetak nanorod atau nanotube, terutama bila
mengarahkan mereka secara implisit pada Gambar 5, misalnya. Mungkin juga ada
beberapa keuntungan dalam campuran atau distribusi nanopartikel atau bentuk
nanopartikel. Gambar 9 mengilustrasikan pertumbuhan selaras, heksagonal, nanorod
ZnO bersama dengan nanosris heksagonal ZnO yang tumbuh pada substrat ITO (indium
Gambar 9 Nanorod ZnO dan pertumbuhan nanokristal pada substrat ITO. (a) SEM nanorod ZnO yang berorientasi. (b) Pandangan yang diperbesar tentang nanorod ZnO di (b). (c) Hexagonal ZnO nanocrystals. (a) dan (b) diadaptasi dari Wang,dkk. (2009). (c) diadaptasi dari Chae dkk. (2010)
707
tin oxide) ZnO pada suhu 60 ° C (Wang et al, 2009; Chae,dd., 2010). Sebaliknya,
Gambar. 10 dan 11 mengilustrasikan bentuk dan bentuk evolusi untuk nanopartikel Au
yang juga dapat dibandingkan dengan bentuk nanopartikel Au yang lebih seimbang atau
berbentuk bola seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.
Nanorods berbentuk pentagram pada Gambar 11b mewakili bentuk nanorod
quasicrystal baru yang ditanam dalam rendaman perak nitrat, asam askorbat, dan
klorida emas. Pertumbuhan bertingkat perak yang dibantu benih ini mengubah struktur
faceting dan facet karena hal ini berkaitan dengan evolusi bentuk (Personick et al 2011;
Langille et al., 2010). Nanorod Au lebih teratur pada Gambar 11a tumbuh di lingkungan
di mana asam askorbat digunakan untuk menumbuhkan batang quasicrystal pada
Gambar 11b digantikan oleh hydroquinone (Vigdermon dan Zubarev 2012).
Perlu dicatat bahwa nanorod emas seperti yang diilustrasikan pada Gambar 11a telah
menunjukkan harapan pada beberapa aplikasi medis. Yang menonjol di antara mereka
adalah
Vektorisasi dari nanorods ini ke sel kanker dimana mereka secara selektif agregat.
Agregasi semacam itu memungkinkan kontras untuk pencitraan in vivo dan in vitro
Gambar 10 Au bipiramida (a) dan {111} -faset oktahedra (b) dan (c). (a) diadaptasi dari Personick dkk. (2011), (b) menunjukkan gambar resolusi atom TEM dari Beatriz Rodan Cuenya, Universitas Florida Tengah, dan (c) menunjukkan gambar TEM yang diadaptasidari Jones,dkk. (2010).
708
serta struktur untuk pemanasan terfokus menggunakan terapi gelombang mikro untuk
membunuh sel kanker secara selektif. Nanorod berbeda dari bentuk nanopartikel emas
berbentuk bulat yang lebih tradisional yang diilustrasikan pada Gambar 7 dengan
penyerapan radiasi inframerah (IR). Hal ini dapat memungkinkan laser IR untuk
mengaktifkannya tanpa merusak sel sekitarnya. Dalam beberapa kasus, permukaan
emas harus difungsikan seperti yang ditunjukkan sebelumnya untuk fungsionalisasi
nanopartikel lainnya.
Huang dkk. (2013) juga menggambarkan komposit protein buatan yang mengandung
diameter Au nanorods (diameter ~15 nm dan panjang ~50 nm) yang digunakan sebagai
lem baru untuk membantu "mengikis" ruptur jaringan dengan menyerap sinar laser
dekat-IR yang melewati tanpa bahaya melalui manusia. jaringan, namun menyebabkan
nanorod Au untuk memanas sebagai konsekuensi dari energi yang diserap,
menggumpalkan matriks protein. Aplikasi laser semacam itu digunakan dalam
perbaikan jaringan pada pembuluh darah tulang rawan, saluran kemih, dan perbaikan
jaringan pada penyakit radang usus, yang menimpa 1,5 juta orang setiap tahunnya di
AS. Protein Au-nanorod berbasis protein menunjukkan potensi untuk menambal lubang
di jaringan usus lemah.
Konfigurasi printer dapat mengambil banyak bentuk tergantung pada aplikasi.
Pencetakan 3D untuk struktur perangkat bertingkat dan pencetakan pada permukaan
tidak beraturan memerlukan varians pada tinggi hulu printer, kecepatan perjalanan,
resolusi cetak, akurasi dan pengulangan pola atau struktur, dan sejenisnya. Beberapa
aplikasi menggunakan penyisipan tinta secara kontinu, dan pencetakan struktur yang
Gambar 11 Emas nanorods (a) dan quasi kristal (pentagram) berbentuk nanorods emas (b). (a) adalah milik Kimberly Hanad-Schifferli, MIT. (b) is courtesy Eugene Zubarev,
Rice University
709
rumit dapat menggunakan beberapa hulu pengeluaran dengan berbagai macam
viskositas. Selain itu, proses fabrikasi hibrida dapat mengintegrasikan stereolithography
dengan teknologi cetak langsung seperti yang akan kita bahas nanti.
Refrensi
Buffat P, Borel J-P (1976) Size effect on melting temperature of gold particles. Phys Rev A13:2287 2291Chae K-W, Zhang Q, Kim JS, Jeong Y-H, Jeong Y-H, Cao G (2010) Low temperature solution growth of ZnO nanotube arrays. Beilstein J Nanotechnol 1:128 134Chun J, Hwang Y, Choi Y-S, Jeong T, Baek JH, Ko HC, Park S-J (2012) Transfer of GaN LEDsfrom sapphire to flexible substrates by laser lift -off and contact printing. IEEE Photon Technol Lett 24(23):2115 2118Huang H-C, Walker CR, Nanda A, Rege K (2013) Laser welding of ruptured intestinalissue using plasmonic polypeptide nanocomposite solders. ACS Nano 7(4):2988 2998Jones MR, MacFarlane RJ, Lee B, Zhang J, Young KL, Jenes AJ, Mirkin CA (2010)DNA-nanoparticle superlattices formed from anisotropic building blocks. Nat Mater Lett 9:913 917Klauk H (2010) Organic thin-film transistors. Chem Soc Rev 39:2643 2652Langille MR, Personick MC, Zhang J, Mirkin CA (2010) Defining rules for the shapeevolution of gold nanoparticles. J Am Chem Soc 134:14542 14544Lunt RR (2012) Theoretical limits for visibly transparent photovoltaics. Appl Phys Lett 101:043902 (1 3)MacDiarmid AG (2001) Synthetic metals: a novel role for organic polymers. Angew Chem 40:2581 2590Magdassi S (2009) The chemistry of inkjet inks. World Scientific, Singapore Murr LE (1975) Interfacial phenomena in metals and alloys. Addison-Wesley, Reading Nystro¨m G, Razaq A, Stromme M, Nyholan L, Mihranyan A (2009) Ultrafast all-polymer paperbased batteries. Nano Lett 9(10):3635 3639Pelofsky AH (1966) Study of surface tension and viscosity for mixed alkanes. J ChemEng Data 11:394 397Personick ML, Langille MR, Zhang J, Harris N, Schatz GC, Mirkin CA (2011) Synthesis and isolation of {110}-faceted gold bipyramids and rhombic do deca hedra. J Am Chem Soc 133:6170 6173Repo P, Haarahiltunen A, Sainiemi L, Yli-Kooki M, Talvitie H, Shubert MC, Savin H (2013)Effective passivation of black silicon surfaces by atomic layer deposition. IEEE JPhotovolt 3(1):90 95Scholl JA, Koh AL, Dionne JA (2012) Quantum plasmon resonances of individual metallic nanoparticles. Nature 483:421 427Vigdermon L, Zubarev ER (2012) High-yield synthesis of gold nanorods with longitudinal SPR peak greater than 1200 nm using hydroquinone as a reducing agent. Chem Mater 25:1450 1457Wang Y, Yeow JTW, Chen L-Y (2009) Part 10, Synthesis of aligned ZnO nanorods with different parameters and their effects on humidity sensing. In: Murthopadhyay SC, Gupta GS, Huang RY-M (eds) Recent advances in sensing technology, vol 49, Lecture notes in electrical engineering. Springer, New York.
710
Bioprinting dan Biofabrikasi Organ
Daftar Isi Pengenalan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710Pencetakan Organ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .712Referensi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .720
Abstrak
Menggunakan sel hidup di tempat nanopartikel dari bahan lain dalam matriks tinta,
secara konseptual memungkinkan untuk mencetak organ 3D. Dengan menggunakan
rangkaian inkjet yang dikendalikan oleh perangkat lunak CAD, sel vaskular dapat
mengenalkan vaskularisasi atau pembuluh silinder yang tepat untuk memungkinkan
adanya aliran darah. Integrasi sukses dari fungsi ini ke dalam rekayasa jaringan dapat
memungkinkan pencetakan organ manusia. Bab ini menjelaskan inovasi kontemporer
dalam rekayasa jaringan dan pencetakan organ 3D.
Pengenalan
Seperti dicatat dalam kaitannya dengan Gambar. 4 dari bab "Perancah Teknik dan
Perancah Jaringan", salah satu pencapaian tertinggi dalam pengetahuan dan sains
material terluas adalah pemilihan dan pengorganisasian sel hidup secara sistematis
dalam pembuatan jaringan dan organ fungsional. Biasanya disebut teknik jaringan yang
telah diarahkan pada penggunaan perancah biodegradabel sebagai dukungan parsial
untuk perakitan sel terisolasi ke dalam jaringan bersebelahan (Ma dan Elisseeff 2005;
Langer 2007). Namun, tujuan akhir rekayasa jaringan melibatkan perancangan dan
pembuatan organ tubuh fungsional. Ini secara teknis adalah organ "buatan" yang sesuai
untuk regenerasi jaringan atau organ atau penggantian. Seperti disebutkan dalam bab
"Bahan dan Struktur Implan," setiap penggantian dalam tubuh harus bersifat
biokompatibel. Ini termasuk jaringan buatan, organ, prostesis, atau perangkat lain atau
peralatan.
711
Dengan mempertimbangkan spesiasi dan fungsi sel dalam pembuatan jaringan yang
dapat terbentuk sendiri, dimungkinkan untuk meniru proses dengan mencetak jaringan
dan pada akhirnya struktur organ yang menanamkan struktur ini, terdiri dari sel spesiasi,
matriks sel, dan geometri sel dan konfigurasi spasial di komputer. - model perancangan
(CAD) yang akan mengarahkan deposisi sel dari hulu pengeluaran (lubang) atau
konfigurasi hulu printer inkjet seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar.
6 dalam bab "3D Printing: Pencetakan Elektronik". Bioprinter semacam itu, dengan
beberapa hulu dispenser yang sesuai dengan sel tertentu dalam pengikat biologis atau
tetesan biologis yang sesuai dapat mencetak struktur jaringan atau organ lapis demi
lapis dalam pencetakan 3D. Gambar 1 mengilustrasikan konsep ini secara skematis
untuk pencetakan cangkokan tulang heterogen yang dapat membentuk jaringan tulang
setelah ditanamkan (Bello et al., 2001).
Gambar 1 Pencangkokan / pencetakan jaringan tulang menggunakan beberapa kepala cetak yang mengandung jenis sel tertentu yang tersuspensi dalam hidrogel (after Bello
et al, 2001). Kepala printer dapat menyimpan filamen kontinyu atau tetes yang sesuai.
712
Pencetakan Organ
Tantangan dalam pencetakan organ adalah vaskularisasi jaringan karena tanpa aliran
darah untuk memberi oksigen, sel akan mati. Akibatnya, sel-sel spesifik vaskular harus
merakit sendiri atau mengatur diri sendiri di antara sel-sel spesifik jaringan lainnya,
seperti osteoblas dalam komponen regenerasi tulang (Gambar 1) atau fibroblas pada
konstruksi jaringan lainnya. Sufiks "ledakan" menyiratkan sel induk pada sel dalam
keadaan metabolisme atau fungsi yang diaktifkan.
Pembuluh darah terkecil adalah kapiler lapis tunggal yang tersusun dari sel endotel,
yang berasal dari angioblasts, dan yang paling primitif memiliki sel endotel tunggal
yang dililitkan untuk bergabung dengan dirinya sendiri, membentuk cincin sel primitif.
Kapiler ini bisa tumbuh atau merakit sendiri, dan saat tumbuh, mereka menambahkan
lapisan untuk menebalkan dinding sel yang membentuk jaringan vaskular. Dengan
meningkatnya diameter dan ketebalan dinding, kapiler ini bertulang, membentuk hirarki
Gambar 2 Perkembangan dan struktur pembuluh darah
713
fraktal (pohon vaskular) yang digambarkan untuk paru-paru dan pohon di Gambar. 12
bab "Biomimetik dan Bahan Terinspirasi Biologis." Gambar 2 mengilustrasikan evolusi
pembuluh darah matang dan strukturnya. Lapisan luar untuk pembuluh darah dewasa ini
tersusun dari sel fibroblas dalam matriks protein ekstraselular berserat, yang dipisahkan
dari lapisan sel endotelial oleh lapisan sel otot polos seperti pada Gambar. 2 dari bab
"Bioprinting and Biofabrikasi Organ." Sel fibroblas dalam kartun yang membesar pada
Gambar 2 berisi sel-sel aktif retikulum endoplasma (ER) yang tidak aktif yang
mensintesis protein. Aparatus Golgi memodifikasi, mengurutkan, dan mengemas
protein makromolekul ini untuk digunakan di dalam sel atau sekresi sel ke matriks
pendukung atau jaringan ikat. Jenis serat yang paling menonjol dalam jaringan ikat
adalah kolagen seperti yang digambarkan pada struktur hirarki di Gambar. 2 dari bab
"Contoh Komposit Alam dan Struktur Komposit." Jaringan ikat juga mengandung
fibroblas yang sel induknya juga menghasilkan osteoblas tulang, adiposit lemak, dan
kondrosit di jaringan tulang rawan. Fibroblas dapat kembali ke tahap awal dalam
perkembangannya dan berdiferensiasi menjadi osteoblas untuk membantu produksi
tulang atau remediasi atau kondrosit dan sel adiposa dalam beberapa keadaan. Fibrosit
kadang disebut sebagai sel yang telah menjadi diam, sel pemeliharaan bukan sel
produksi. Fibroblas menjadi aktif atau produktif dalam pertumbuhan normal dan
perbaikan luka. Sel fibroblas datar yang ditunjukkan pada Gambar 2 sebenarnya terletak
di atas atau di sepanjang serat yang mereka hasilkan di jaringan ikat. Selama proses
penyembuhan, fibrin, protein berserat, non-globular, dibentuk dari fibrinogen oleh
trombin protease dan dipolimerisasi untuk membentuk struktur seperti jaring. Hal ini
juga terlibat dalam pembekuan darah. Matriks fibrin memungkinkan migrasi dan
pelekatan neutrofil dan sel makrofag yang merupakan sel pelindung yang paling
menonjol pada jaringan organ.
Organ terbesar di tubuh manusia adalah kulit yang berfungsi sebagai susunan
pertahanan, melindungi tubuh dari patogen, kehilangan air, dan manajemen termal.
Kulit memiliki kemampuan untuk menyembuhkan secara alami. Ini terdiri dari dua
lapisan, epidermis (lapisan luar) dan dermis (lapisan dalam). Sel utama di epidermis
adalah keratinosit yang memproduksi keratin ( Gambar 2 dan 16 dari bab "Struktur dan
Sifat Bahan Keratin dan Bahan Biologi Terkait") untuk menjaga integritas mekanis dari
susunan jaringan epidermal. Dermis juga memiliki lapisan jaringan subkutan yang
714
mendasarinya atau hypodermis yang sebagian besar merupakan jaringan adiposa (atau
datar). Dermis mendukung epidermis dengan menyediakan nutrisi dan oksigen dan
karenanya mengandung jaringan vaskularisasi. Protein utama yang menyusun jaringan
penghubung adalah kolagen, elastin ( Gambar 19 dari bab "Struktur dan Sifat Bahan
Keratin Berbasis dan Terkait Biologis"), dan glikosaminoglikan. Sel fibroblas juga
mengisi dermis dan terutama di sekitar pembuluh darah (Gambar 2).
Karena kulit adalah organ dangkal dengan luas permukaan yang sangat besar, ini
merupakan salah satu usaha bioprinting pertama. Pembuatan atau biofabrikasi kulit
(atau kulit buatan) juga memiliki implikasi dan aplikasi praktis yang signifikan karena
hampir setengah juta orang dirawat karena luka bakar setiap tahun di Amerika Serikat,
sementara perawatan kulit terkait diabetes melebihi angka ini lebih dari urutan besarnya.
Rekayasa jaringan dan pencetakan inkjet atau bioprinting kulit telah dilakukan selama
dekade terakhir atau lebih dengan keberhasilan yang meningkat (Bello,dkk 2001;
Boland,dkk 2006; Cui and Boland 2009; Bottcher-Haberzeth,dkk 2010). Terutama yang
menonjol adalah pembentukan struktur kapiler secara 3D dengan sel endotel manusia
dermal mikrovaskular dalam matriks kolagen atau fibrin (Cui and Boland 2009;
Bottcher Haberzeth,et al., 2010).
Sebagian besar kulit buatan yang tersedia secara komersial berfungsi sebagai penutup
luka yang memudahkan penyembuhan luka dan membatasi kontraksi selama
penyembuhan. Kulit buatan pertama yang terbuat dari sel manusia adalah produk yang
Gambar 3 buatan 3D, kulit buatan tipis (Gambar Google)
715
disebut Dermagraft-TC, yang disetujui oleh FDA AS pada tahun 1997. Gambar 3
mengilustrasikan lipatan kulit buatan manusia buatan 3D yang dicetak. Produk kulit
buatan ini terlalu tipis untuk menampung vaskularisasi. Upaya terbaru untuk mencetak
sel secara langsung ke lokasi luka untuk mendukung regenerasi sel alami dan
penyembuhan luka. Penggunaan sel lemak pasien (adipocytes) untuk mencetak
konfigurasi jaringan yang disesuaikan seperti rekonstruksi payudara juga telah dipelajari
(Melchelo,dkk 2011).
Yanez dkk. (2012) baru-baru ini menyelidiki cangkok kulit 3 lapis dan dicetak 3D
dengan mencetak lapisan dermal ke biopaper (biomimetic hydrogel) menggunakan
bioinken kolagen (matriks hidrogel) dengan sel fibroblas, lapisan perantara
menggunakan bioink fibrin gel yang mengandung endotel sel, dan lapisan luar atau
epidermal menggunakan biolog hidrogel berbasis kolagen yang mengandung sel
keratinosit. Strategi dalam pendekatan ini adalah untuk mendorong vaskularisasi pada
lapisan perantara yang dicetak dengan sel endotel (Gambar 2). Strategi pencetakan ini
dapat dimodifikasi dengan menunjuk jaringan senar sel endotel dalam lapisan dermal
dari nosel pendispersi terpisah untuk memungkinkan sel membentuk kapiler perfusi
dengan perakitan sendiri dan pengorganisasian sendiri.
Dalam kasus pencetakan organ yang lebih umum sebagai proses pembuatan aditif 3D,
Mironov,dkk. (2003) mengidentifikasi tiga langkah sekuensial. Yang pertama
melibatkan pengembangan desain CAD atau cetak biru dari organ tertentu. Ini bisa
berasal dari rekonstruksi citra digital seperti scan komputer mikro (CT), MRI, atau
rekonstruksi rinci dari serial section (Sun dan Lai 2002). Model CAD ini dapat
disematkan pada file stereolithographic (STL) ke
716
langsung hulu printer dalam deposisi bioink spesifik di setiap lapisan. Ini digambarkan
secara skematis pada Gambar 4 untuk pencetakan pembuluh darah sederhana dan
matang. Implikasi dari Gambar 4 adalah bahwa jaringan spherooid sebagai bioinks
adalah blok bangunan di dalamnya
pencetakan organ sebagai awalnya diusulkan oleh Mironov,dkk. (2009) untuk
pencetakan kontinu atau digital (drop-on-demand) dari beberapa kepala pengeluaran
masing-masing mencetak jaringan fungsional atau komponen organ. Ini melibatkan
pembuatan komposisi sel dan bahan ekstraselular bersama dengan faktor pertumbuhan
dan komposisi pertumbuhan kritis lainnya (struktur molekuler) untuk membentuk
spheroida terkontrol yang memiliki tegangan permukaan dan viskositas yang diperlukan
seperti yang dibahas sehubungan dengan pencetakan inkjet 3D yang diilustrasikan pada
Gambar. 6 dari bab "3D Printing: pencetakan elektronik" untuk memastikan fusi
Gambar 4 Skema bagian yang menunjukkan bangunan pembuluh darah 3D konseptual menggunakan beberapa hulu pengeluaran untuk pencetakan spheroid jaringan tertentu. (1) Sel fibroblast pada hidrogel sel fibrin; (2) fibroblast + sel otot polos hidrogen. (3) Sel endotel dalam hidrogel. Hidrogel berbasis kolagen. Z mewakili ketinggian pengeluaran yang konstan dengan lapisan bangunan
717
jaringan. Ini mungkin juga melibatkan pemeliharaan suhu optimum di reservoir printer
seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 6 dalam bab "3D Printing: pencetakan
elektronik ".
Gambar 5 menunjukkan pemetaan untuk mencetak segmen mikrovaskular pohon
vaskular seperti yang dikembangkan oleh Mironov,dkk.. (2009). Jaringan vaskular
diasumsikan merakit diri dari jaringan spheroid endotelial yang tersirat dalam skema
Gambar 4. Sebagian besar organ secara jelas ditunjukkan oleh pohon vaskular yang,
seperti yang digambarkan pada ginjal pada Gambar 6, dapat disematkan pada model
CAD bersama dengan file STL terkait untuk fabrikasi jaringan ikat atau penyangga
dalam pencetakan lapis demi lapis. Ginjal, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 6,
berfungsi sebagai saringan darah, membuang limbah dan kelebihan air yang dialihkan
Gambar 5 Pemetaan model langkah ke-3 untuk pencetakan organ 3D (From Mironov
,et al(2009)).
718
ke kandung kemih melalui ureter. Ginjal menerima darah dari arteri renalis yang
bercabang langsung dari aorta abdomen. Sejalan dengan itu, kedua ginjal tersebut
menerima kira-kira 20% dari curah jantung atau aliran darah kontinyu. Karena dialisis
ginjal telah menjadi intervensi yang tepat untuk fungsi ginjal, fabrikasi ginjal untuk
implantasi mungkin dipermudah
dengan memasukkan prinsip-prinsip perancangan teknik ke dalam model CAD untuk
bioprinting 3D. Selain itu, pencetakan ginjal dan organ tubuh lainnya, bahkan kulit pun,
bisa memanfaatkan sel-sel pasien atau sel punca yang dikhususkan dengan DNA pasien.
Ini akan menghilangkan penolakan implan.
Pada tahun 1990, ada 4.000 sumbangan ginjal dari donor yang meninggal di Amerika
Serikat dan 17.000 di daftar tunggu ginjal. Jumlah ini melonjak menjadi 7.000 donor
dan hampir 60.000 di daftar tunggu pada tahun 2003. Proyeksi untuk tahun 2014
digandakan. Akibatnya, pembuatan organ bisa memberi kontribusi besar.
Gambar 7 mengilustrasikan sistem 3D-bioprinting komersial. Pada beberapa titik, ketika
menjadi layak untuk memproduksi organ khusus pasien, stasiun manufaktur khusus
organ dapat menempati ruang mal, dimana praktisi medis dapat memesan fabrikasi
organ untuk pasien dengan mentransmisikan sel spesi dan data mikro-CT untuk organ
yang akan diganti Hal ini tentu saja bisa berlaku untuk cangkok atau penggantian kulit
juga di mana dokter bisa mengatur area permukaan tertentu yang akan diproduksi.
Gambar 6 Struktur dan fungsi ginjal. (a) Struktur ginjal menunjukkan potongan organ lengkap. (b) Struktur ginjal bebas vaskular dan ginjal. Komponen pembuluh utama ditunjukkan oleh 1, 2, dan 3 sesuai dengan ureter (1), vena ginjal (2), dan arteri ginjal(3) pada (a).
719
Sampai saat ini (2013), tulang rawan lutut eksperimental, katup jantung, implan tulang,
dan kulit telah dicetak. Perusahaan Organovo telah membuat pembuluh darah dan
jaringan paru-paru. Telinga anak-anak telah dibuat dari jaringan tulang rawan
menggunakan perancah hidrogel kolagen dan masing-masing model CAD untuk
cetakan dengan tepat menirukan anatomi normal telinga pasien tertentu (Reiffel,dkk
2013).
Harus jelas bahwa dalam konteks biologis organisme dan organ, sel memainkan peran
sentral sebagai konsekuensi selektivitasnya, atau lebih khusus lagi struktur dan
fungsinya. Namun, sel terus merombak struktur internal mereka, sehingga mengubah
sifat mekaniknya (Bausch dan Kroy 2006). Memang, dalam sebuah makalah baru-baru
ini, Karen Kasza dan rekannya membahas sel tersebut sebagai bahan, jika bukan a
Gambar 7 Komersial, bioprinter 3D yang diproduksi oleh perusahaan nScript dan ditempatkan di laboratorium bioteknologi di Universitas Missouri.
720
materi hidup (Kasza,et al 2007). Akibatnya, dan seperti yang dibahas oleh Vladimir
Mironov dan rekan (2009), jaringan spheroids juga dapat dianggap sebagai bahan hidup
dengan sifat terukur dan terkendali, misalnya, ketegangan permukaan dan viskositas.
Refrensi
Bausch AR, Kroy K (2006) A bottom-up approach to cell mechanics. Nat Phys 2:231238Bello Y, Falabella A, EaglsteinW(2001) Tissue-engineered skin. Current status in wound healing. Am J Clin Dermatol 2(5):305 313Boland T, Xu T, Damon B, Cui X (2006) Application of inkjet printing to tissue engineering.Biotechnology 1:910 917Bottcher-Haberzeth S, Biedermann T, Reichmann E (2010) Tissue engineering of skin. Burns 36:450 460Cui X, Boland T (2009) Human microvasculature fabrication using thermal inkjet printing technology. Biomaterials 30:6221 6227Kasza KE, Rowat AC, Liu J, Angelini TE, Brongwynne CP, Koenderink GH, Weitz DA (2007) The cell as a material. Curr Opin Cell Biol 19:101 107Langer R (2007) Tissue engineering: perspectives, challenges, and future directions. Tissue Eng 13:1 2 Ma PX, Elisseeff J (eds) (2005) Scaffolding in tissue engineering. CRC Press, Boca Raton Melchelo F, Domingos PW, Neves MA, Klein TJ, Maida J, Bartolo PJ, Hatmacher D (2011) Additive manufacturing of tissue and organs. Prog Polym Sci 37(31):1079 1104Mironov V, Boland T, Trask T, Forgacs G, Markwald RR (2003) Organ printing: computer-aided jet-based 3D tissue engineering. Trends Biotechnol 21:157 161Mironov V, Visconti RP, Kasyanov V, Forgacs G, Drake CJ, Markwald RP (2009) Organ printing: tissue spheroids as building blocks. Biomaterials 30:2164 2174Reiffel AJ, Kafka C, Hernandez KA, Popa S, Perez JL, Zhau S, Pramanik S, Brown BN, Ryu WS, Bonassar LJ, Spector JA (2013) High-fidelity tissue engineering of patient-specific auricles for reconstruction of pediatric microtia and other auricular deformities. PLoS One 8(2):e56506 Sun W, Lai P (2002) Recent development on computer-aided tissue engineering areview. Comput Methods Programs Biomed 67:85 103
intable cellular scaffold using self-crosslinking agents. J Imaging Sci Technol 56(4):040506-1 040506-5
721
Proses teknoligi prototype: Solid Freeform Fabrication (solid Rapid prototyping Technologies: Solid Freeform Fabrication)
Isi Pendahuluan.........................................................................................................721
Stereolithografi : 3D-CAD Sistem dan lapisan 3D Printing................................725Proses pemodelan deposisi fusi ...........................................................................726
Sintering Laser Selektif .......................................................................................732
Referensi ..............................................................................................................735
Abstrak Proses teknologi prototype atau solid fabrikasi bentuk dasar yang bebas dan
proses dijelaskan dalam bab ini. Ini termasuk konsep pencetakan lapisan untuk
menghasilkan objek 3D dengan pemodelan deposisi leburan dan peleburan laser selektif. Stereolithografi seperti yang diterapkan pada fabrikasi oleh manufaktur aditif
membentuk dasar untuk teknologi pengolahan bahan ini.
Pendahuluan Proses teknoligi prototipe (RP) yang melibatkan fabrikasi bentuk bebas padat (SFF) mewakili serangkaian konsep manufaktur aditif (lapisan) di mana format file
yang dihasilkan komputer atau format CAD dibantu komputer (dikonversi) menjadi
individual, berorientasi, horisontal lapisan tebal ~ 100- . Lapisan ini sering
disebut sebagai rezim informasi 2-1 / 2 dimensi. Selama fabrikasi, setiap lapisan atau
irisan secara fisik diendapkan atau secara selektif dibuat oleh sediaan resin cair
fotosensitif dalam tong: pemrosesan berbasis photopolymer. Meskipun ada lebih dari
dua lusin varian dari teknologi cetak 3D ini, banyak yang didasarkan pada tiga
metodologi utama: stereolithography (SL, STL, SLA, SL-RP, dll.), Pemodelan deposisi leburan (FDM), dan (selektif) laser sintering (SLS atau LS) (Jacobs 1992; Gibson dkk.,
2010; Bartolo 2011).
722
Stereolithografi : 3D-CAD Sistem dan Lapisan 3D Printing
Stereolithography adalah metode tertua dan paling banyak digunakan untuk
pencetakan 3D atau fabrikasi bahan dengan manufaktur aditif. Charles Hull (1986)
menciptakan istilah dalam paten yang dikeluarkan pada tahun 1986 sebagai metode
untuk membuat benda padat dengan membentuk lapisan tipis resin ultraviolet (UV) atau fotosensitif, resin industri yang disembuhkan dengan cepat di dalam resin resin
photopolymer cair. Gambar 1 menunjukkan fitur utama untuk metodologi pembuatan
aditif ini. Sinar laser UV yang terfokus dipindai secara selektif dan sistematis di
permukaan resin polimer cair fotosensitif yang mewakili bagian melintang dari bagian
model untuk disembuhkan dan dipadatkan (oleh ikatan silang polimer) bagian lapisan
ini. Balok dipindai oleh model CAD
Gambar 1. Skema sistem Stereolithografi, dengan setiap foto (laser) -lapisan sembuh
atau bagian lapisan, pembersih menghilangkan kelebihan photopolymer atau polimer
yang tidak bereaksi dan penghisap build memindahkan tabel build ke jarak lapisan
yang telah ditentukan sebelumnya. Sinar laser difokuskan melalui lensa kaca dan
dipindai menggunakan cermin yang digerakkan oleh sistem CAD (STL), yang
mencakup sistem blanking
723
tertanam dalam file digital yang mengarahkan sistem cermin pemindaian yang
ditunjukkan pada Gambar 1. Proses ini diulang dengan irisan slice untuk model CAD yang membentuk bagian dalam proses pembuatan 3D lapis demi lapis yang sesuai.
Antara setiap lapisan yang membangun lapisan (selesai) yang disembuhkan disapu oleh
pisau pengatur atau pengaman yang dipindahkan melintasi permukaan untuk
menghaluskannya dan menghilangkan kelebihan, resin yang tidak diawetkan.
Membangun Platform diturunkan dengan jarak yang sama dengan ketebalan lapisan,
dan lapisan resin selanjutnya kemudian dilap di permukaan, dibersihkan secara selektif
oleh sinar laser raster, dan prosesnya berulang sampai model yang dipotong dibuat sebagai objek 3D . Produk fabrikasi kemudian dikeluarkan dari tong resin dan
selanjutnya disembuhkan dalam kabinet UV.
Data slice atau bagian lapisan yang disematkan pada perangkat lunak CAD dan
perangkat lunak operasi yang mengarahkan cermin pemindaian pada Gambar 1 untuk
secara selektif memindai sinar laser terfokus di atas area permukaan resin yang sesuai
untuk disembuhkan dan disterilisasi, berasal dari STL (STereoLithography or Standard
Tessellation Language). Format file ini didukung oleh sejumlah paket perangkat lunak
dan formalisme untuk pembuatan prototipe yang cepat dan berbagai format pembuatan komputer (CAM). Format STL menentukan representasi biner dan ASCII, dengan yang
pertama adalah format file yang lebih umum (Chua et al., 2003).
File STL adalah representasi segitiga dari objek 3D: permukaan triangulasi oleh
unit normal dan simpul segitiga menggunakan sistem koordinat 3D Cartesian. Setiap
tepi adalah bagian dari tepat dua segitiga dan tidak selfintersecting. Permukaan objek
3D dipecah menjadi rangkaian segitiga logis seperti yang digambarkan untuk bola padat
pada Gambar 2. Setiap segitiga secara unik didefinisikan oleh titik normal dan tiga titik
yang mewakili titik-titiknya. Resolusi detail permukaan meningkat dengan ketepatan segitiga yang juga meningkatkan ukuran file STL, yang untuk reproduksi objek yang
baik berkisar antara 1 sampai 5 MB (Chua et al., 2003). Model triangulasi dapat
dibangun secara matematis atau dari data yang dipindai seperti CT atau MRI. Selain itu,
Gambar 2 Penciptaan STL fieb menggunakan triangulasi permukaan objek untuk
mencapai resolusi objek
724
reverse engineered, benda berbentuk kompleks dapat direplikasi oleh instrumen
metrologi seperti sistem pengukur koordinat, terutama sistem triangulasi laser yang
merekonstruksi koordinat x, y, dan z yang sesuai dengan titik garis laser dengan
menggabungkan informasi yang diberikan oleh persimpangan lapangan laser. dengan
permukaan yang akan diukur (Wang et al., 2002).
Struktur kompleks, terutama yang terdiri dari jaringan ligamen yang saling
berhubungan seperti busa seluler isotropik, acak, terbuka dapat dihasilkan dengan
menggunakan perangkat lunak berbasis matematis seperti Permukaan Evolver (Bakke
1992) yang diilustrasikan pada Gambar 3. Gambar 3a menunjukkan busa isotropik acak
yang dihasilkan oleh Permukaan Evolver (Bakke 1992) sementara Gambar 3b
menunjukkan sekelompok sel yang diambil dari busa acak ini. Gambar 3c menunjukkan
gambar skeletal tepi sel yang mewakili bagian busa pada Gambar 3b. Dikonversi ke file STL, strukturnya dapat diiris menjadi lapisan yang digunakan dalam fabrikasi
stereolithographic untuk membangun model pada Gambar 3a, b lapisan demi lapis
seperti yang tersirat pada Gambar 3d.
Pembentukan struktur, terutama struktur busa pita terbuka yang kompleks yang
tersirat pada Gambar 3, juga dapat dikembangkan dari pemindaian mikro-CT dari bahan
busa aktual, seperti busa aluminium dari mana unit bangunan atau generator struktur
dapat diidentifikasi dan digunakan untuk membesarkan produk stereolithographic ke
ukuran sel tertentu atau porositas karakteristik. Paket perangkat lunak, seperti Materialize / Magics (http: // www. Materialise.com), memanfaatkan generator struktur
yang didefinisikan secara geometris yang terdiri dari satuan unit sel atau unit kisi yang
serupa dalam konsep ke sel unit kisi kristal. Gambar 4 mengilustrasikan serangkaian
elemen pembangun unit sel ini dan model 3D terkaitnya sementara Gambar 4a
menunjukkan produk polimer buatan stereolithography berdasarkan model dode-thin
yang ditunjukkan pada Gambar 4, sedangkan Gambar 5b mengilustrasikan 3D- produk
stereolithografi tiruan.
Dalam fabrikasi stereolitik dari banyak produk, diperlukan struktur pendukung yang melampirkan produk ke platform lift dan menahan penampang melintang dan
menahan tekanan pisau rekoater selama penyapuan lapisan. Dukungan ini dihasilkan
secara otomatis selama pengembangan CAD dan harus dihapus secara manual dari
produk 3D yang telah selesai. Sebagian besar sistem stereolithography dapat
menghasilkan bagian dengan ukuran maksimum sekitar 50 x 50 x 60 cm, namun unit
yang lebih besar dapat dibangun di atas platform yang memungkinkan bagian sebesar
225 x 75 x 85 cm. Diameter sinar laser biasanya difokuskan pada ~ 150-kecepatan pemindaian 3 m / s. Platform build dapat dipindahkan secara vertikal
sesedikit ~
UV yang dapat disembuhkan polimer lainnya. Kadang-kadang sistem radikal bebas
didasarkan pada monomer akrilat dan metakrilat. Obat ini cepat dan dapat difungsikan
secara fungsional untuk mencapai bahan dengan berbagai khasiat. Inframerah (IR),
725
fabrikasi proses termo-inisiasi yang menggunakan resin termosensitif juga digunakan
dalam beberapa sistem pencetakan 3D stereolitikal.
Juga harus jelas bahwa produk struktur internal yang kompleks, seperti busa sel
tertutup (Gambar 6a) tidak dapat dibuat dengan stereolithography dan juga beberapa
proses pembuatan aditif atau proses pencetakan 3D lainnya (seperti SLS)
Gambar 3 Pembangkitan model busa yang kompleks dan replikasi komponen
stereolitik. (a) Citra busa isotropik acak yang dibuat oleh Permukaan Evolver (Bakke 1992). (b) Bagian sel yang diambil dari (a). (c) Irregular, model garis sel
polyhedral (b). (d) Lapisan bangunan bagian busa dengan stereolithography.
Memajukan irisan ditunjukkan oleh bagian lapisan bertitik
726
karena struktur ini akan mempertahankan resin yang tidak diawetkan atau bubuk yang
tidak dikonsolidasikan. Busa sela terbuka (Gambar 6b) dan struktur internal yang saling
berhubungan dan saling terkait dapat memungkinkan resin yang tidak diawetkan dan
bubuk yang tidak dikonsolidasikan untuk dikeringkan atau dipulihkan.
Ada banyak aplikasi stereolithography dalam berbagai prototyping produk dan
fabrikasi produk komersial. Ada banyak aplikasi biologis termasuk penggunaan
pencitraan MRI atau CT untuk membuat model preoperatif spesifik pasien untuk prosedur pembedahan untuk mengurangi waktu operasi setelah itu serta risikonya
(Sarment et al 2003; Mankovich et al., 1994) . Pembuatan berbagai perancah teknik
jaringan yang memiliki porositas dan struktur berpori yang diperlukan seperti yang
tersirat pada Gambar 5a juga mapan (Melchels et al., 2010).
Proses Pemodelan Deposisi Fusi
Sementara proses pemodelan deposisi fusi (FDM) adalah teknologi pencetakan 3D,
teknologi prototipe yang cepat, ini berbeda dengan stereolithography pada lapisan
bangunan serupa pada beberapa pengenalan pencetakan inkjet kontinyu karena
menggunakan kepala dispenser untuk melepaskan cairan, termopolimer menjadi paralel
kontinyu. tabung yang menyatu menjadi lapisan atau bagian lapisan yang mewakili
Gambar 4 Menciptakan elemen perangkat lunak (a) dan model 3D yang sesuai (b)
727
potongan model STL. Sistem pencetakan CAD-model ini mirip dengan sistem STLF
stereolithography kecuali perangkat lunak yang mengemudikan ekstrusi polimer dan
pengendapannya dari translasi x-y, kepala menyalurkan: yang biasanya menyimpan
bahan produk dan bahan pendukung lainnya, yang sering larut dalam air sehingga bisa
jadi
Gambar 5 Stereolitikografi 3D contoh produk polimer. (a) Reticulated mesh
menggunakan model "dode-thin" pada Gambar 4b. Atas izin dari Milwaukee School of Engineering. (b) Struktur sel terbuka yang kompleks yang memiliki ligamen
nonlinier (Courtesy of Rene Schmidt)
728
mudah dilepas dengan pembilasan atau perendaman dalam pemandian air setelah
fabrikasi produk 3D. Gambar 7 mengilustrasikan sistem SFF ini secara skematis. Umumnya digunakan elastomer termoplastik termasuk polyethylene, polypropylene,
Gambar 6 Model busa. (a) Sel tertutup. (b) sel terbuka
Gambar 7 Tampilan skematik yang menunjukkan proses pemodelan deposisi fusi
(FDM) untuk pencetakan 3D. Material pembuat bisa berbentuk spool atau cairan
pompa. Material pembuat dan pendukung dipanaskan di kepala pengeluaran ke
beberapa viskositas atau kelancaran yang telah ditentukan sebelumnya.
729
dan terutama polikarbonat dan polycarbonate resin dan akrilonitril butadiena st irena
(ABS) yang diilustrasikan pada Gambar. 8. ABS adalah kopolimer yang dibuat dengan
mempolimerisasi stirena dan akrilonitril dengan adanya polibutadiena. Ini menghasilkan
rantai panjang polibutadiena yang saling silang dengan rantai poli (stirena-ko-
akrilonitril) yang lebih pendek. ABS lebih kuat, lebih kaku, dan lebih stabil secara dimensional daripada polystyrene. Mungkin berguna pada saat ini untuk memberikan
tinjauan singkat mengenai struktur polimer, setidaknya karena membedakan kopolimer
seperti ABS dari bentuk struktur polimer umum lainnya. Polyethylene digunakan
sebagai acuan utama seperti ditunjukkan pada Gambar 9.
FDM (Russell dan Cohn 2012) dikembangkan oleh Scott Crump pada akhir
1980an yang mendirikan Stratasys, salah satu produsen mesin cetak 3D pertama
berdasarkan FDM. Istilah pencetakan 3D adalah merek dagang Stratasys, Inc. yang diizinkan masuk ke ranah publik dan menjadi istilah industri generik pada tahun 1999.
Gambar 8 Unit kimia struktural (monomer) yang mewakili bahan bangunan
termodinamika termal FDM. (a) titik lebur polikarbonat (~ 270 º C). (b) ABS (yang
meleleh pada 105 ° C namun melembutkan antara 50 ° C dan 80 ° C)
730
Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7, bahan pembuatan dan pendukung termoplastik dalam bentuk spool diumpankan ke kepala cetak yang panas atau kepala
pengeluaran dengan desain nosel untuk mengoptimalkan ekstrusi termopolimer cair atau
semiliet, yang viskositasnya dapat disesuaikan agak untuk memudahkan perpaduan dari
polimer yang diekstrusi dan diendapkan. Bergantung pada komposisi bahan bangunan
dan pendukung, erosi nosel bisa terjadi dan penggantian nosel harus dipertimbangkan.
Tabel build biasanya didinginkan untuk mengendalikan pengembangan lapisan produk,
dan tabel dipindahkan ke bawah untuk mengakomodasi pengendapan lapisan
lapisan produk normal bervariasi dari ~
diekstrusi antara ~
Bahan pendukung (Gambar 7) adalah warna yang berbeda dari bahan bangunan
produk dan tidak menyatu atau menempel padanya. Hal ini memungkinkan materi
pendukung mudah dikenali dan dihapus. Juga harus jelas bahwa tidak seperti
stereolithography (Gambar 1), FDM dapat membangun kompleks, sel tertutup atau
struktur internal yang terkait (Gambar 6a). Selain itu, sistem penyampaian multihead
atau multi-jet dapat memungkinkan pembuatan struktur kompleks atau bahkan tertanam, atau bangunan model kompleks yang lebih cepat. Banyak, sistem pencetakan 3D yang
umum tersedia adalah teknologi SFF berbasis FDM
Karena material pembangun termopolimer dapat dikembangkan sebagai batang
prekursor atau serat spool dari berbagai diameter yang dilelehkan pada dispensing atau
jet head sebelum ekstrusi (Gambar 7), adalah mungkin untuk membuat matriks polimer
/ material komposit dengan cara menangguhkan partikel keramik. , termasuk
Gambar 9 Struktur polimer umum terbentuk. Rantai kopolimer juga mengandung
ikatan silang dari rantai homopolimer atau jenis rantai polimer lainnya yang
ditunjukkan
731
nanopartikel, di dalam matriks termopolimer. Ini juga dapat mencakup nanotube nano
atau mikroskop, bahkan nanotube karbon, yang mungkin agak menyiratkan diri mereka
sendiri pada material ekstrusi dan lapisan yang diberi pupuk untuk membangun struktur
komposit spesifik lapisan yang memiliki kekuatan atau sifat tribological yang superior.
Dengan memuat matriks polimer dengan fraksi partikel keramik yang tinggi, produk cetak 3D dapat dipanaskan pada suhu tinggi untuk menguapkan pengikat polimer dan
menyinter produk pada suhu tinggi yang sesuai. Tentu produk ini akan menimbulkan
penyusutan yang bisa dimasukkan ke dalam desain dan fabrikasi produk akhir. Produk
cetakan 3D juga kadang-kadang disebut sebagai produk cetak 4D jika mereka
mengubah bentuk atau merakit diri atau memasang kembali dengan waktu setelah
fabrikasi 3D. Waktu selalu merupakan dimensi keempat.
Hal ini dimungkinkan untuk membuat stereolithography hibrid - konfigurasi pemodelan deposisi campuran dengan mengeluarkan resin polimer yang tidak kental
dan mudah bercahaya dari kepala cetak yang diilustrasikan p ada Gambar 7 dan secara
bersamaan menyembuhkan aliran photopolymer yang tidak disalurkan. Laser fotokopi
(UV) dipasang di samping kepala pengirim dan difokuskan sehingga melepaskan aliran
polimer yang tidak disalurkan secara optimal. Proses ini memiliki kelebihan FDM
namun memungkinkan varians di kepala pengeluaran untuk menciptakan produk yang
agak lebih terdefinisi (resolusi tinggi). Proses ini juga dapat menciptakan struktur
internal yang kompleks seperti FDM tanpa menjebak resin berlebih yang merupakan batasan proses stereolithografi konvensional dalam tong resin fotokabel seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 1. Bisa juga dicatat di FDM
Gambar 10 Selective laser sintering (SLS) skematis proses. Perhatikan bahwa bubuk
berlebih digulung ke kolektor di sebelah kanan. Bubuk yang tidak disintering di bagian tengah bangunan dilepas setelah dipalsukan.
732
proses (Gambar 7) bahwa deposisi dan fabrikasi multi bahan dimungkinkan dengan
menggunakan kepala pengirim yang berbeda. Misalnya, bahan yang disalurkan dapat
berdampingan atau dalam konfigurasi lapisan jika diinginkan.
Sintering Laser Selektif (Selective Laser Sintering)
Seperti yang digambarkan secara skematik pada Gambar 10, sintering laser
selektif (selektif laser sintering) menggunakan material bahan polimer termoplastik untuk membuat potongan model STL dari model CAD yang secara selektif disinter
menggunakan sinar laser yang sesuai. Sementara proses yang diilustrasikan pada
Gambar 10 secara umum disebut sebagai sintering laser selektif, energi sinar laser dapat
meleleh sebagian atau sepenuhnya lapisan serbuk partikel polimer (tebal ~ 100-
atau membuat rezim yang sering disebut fase cair sintering. Sementara pelelehan parsial
pada permukaan partikel dapat memungkinkan peleburan yang memadai untuk
menghasilkan komponen monolitik berlapis lapis padat yang tidak memiliki
konsekuensi mikrostruktur yang merugikan, ini bukan kasus untuk bubukyang logam,jika tidak benar-benar meleleh, mengandung campuran mikrostruktur (atau a struktur
mikro komposit) dengan inti partikel yang tidak dilapisi yang pada dasarnya merupakan
mikrostruktur partikel prekursor dan daerah meleleh yang mengelilingi (dan melebur
partikel di lapisan bed yang memiliki struktur mikro yang sangat berbeda. Bahkan
dalam kasus partikel bubuk logam yang meleleh sepenuhnya, struktur mikro dapat
dimanipulasi dengan berbagai cara oleh pendinginan lapisan dan fenomena meleleh
lapisan demi lapis yang terkait yang jauh berbeda dari fenomena lelehan konvensional yang terkait dengan padatan terarah dan struktur antarmuka padatan / meleleh yang
sesuai. Akibatnya, fabrikasi serbuk logam dengan peleburan laser atau pelepasan bagian
elektron merupakan proses pembuatan aditif yang agak unik yang akan dibahas secara
kategoris pada bagian berikut.
Pada sebagian besar aplikasi SLS, laser CO2 berdaya tinggi (beroperasi pada
pembentukan bagian
monolitik SLS bergantung pada daya laser puncak yang berlawanan dengan titik lebur
bubuk, daripada waktu diam sinar laser pada bagian lapisan, laser bergetar biasanya digunakan.
dan laser Na: YAG (neodymium-doped YAG) yang dapat beroperasi hingga 355 nm
panjang gelombang juga dapat digunakan bila kebutuhan daya rendah dapat
menyebabkan sintering cairan yang sesuai dari powder bed. Mungkin dicatat dari
hubungan Planck bahwa panjang gelombang yang lebih kecil memaksakan energi yang
lebih tinggi secara khas ( persamaan 72 dalam bab ).
Serbuk polimer ABS, misalnya, dapat berupa fase cair disinter atau dilelehkan pada suhu serendah 80 C (Gambar 8b).
733
SLS, seperti teknologi manufaktur aditif lainnya, dikembangkan pada
pertengahan 1980an oleh Carl Deckard dan Joe Beaman di University of Texas di
Austin. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 10, serbuk digulung ke lapisan
pembangun pada lapisan atau ketebalan lapisan STL seperti yang dicatat. Sinar laser
yang diarahkan secara selektif menyisipkan atau melelehkan lapisan yang juga meleleh atau disinter ke lapisan sebelumnya, dan lapisan pembangun kemudian menurunkan
ketebalan lapisan yang diproses dan lapisan baru digulung dari ruang umpan bubuk ke
kiri pada Gambar. 10. Karena bubuk yang tidak diproses mendukung komponen
pembangun, biasanya tidak diperlukan struktur pendukung khusus untuk dibuat.
Namun, seperti proses stereolithography yang diilustrasikan pada Gambar 11, struktur
kompleks tidak dapat diciptakan kecuali ada struktur sel terbuka atau terbuka yang
memungkinkan penghapusan bubuk yang tidak diproses.
Dalam proses SLS normal, powder bed dipanaskan untuk mempercepat dan
mengoptimalkan proses sintering biasanya dengan memanaskan area yang bisa
dikerjakan sampai tepat di bawah titik leleh polimer bubuk. Tentu saja ini memberikan
persyaratan yang tidak biasa untuk logam seperti yang tersirat di atas, dan terutama
serbuk keramik, yang sebagian besar meleleh pada suhu yang sangat signifikan di atas
titik leleh bubuk logam. Produk keramik, bagaimanapun, dapat diproduksi oleh varian
manufaktur aditif lainnya dimana bubuknya digulung dari sumber serbuk seperti pada
Gambar 10, namun alih-alih sinar laser yang secara selektif menyintering lapisan gulung, kepala pengirim menempatkan pengikat pada keramik yang digulung. lapisan
bedak seperti yang diarahkan oleh model slice model STL. Komponen keramik yang
mudah diikat dan kemudian dipindahkan dari ruang bangun dan ditempatkan di tungku
suhu tinggi untuk menguapkan pengikat dan membiarkan bubuk keramik ke sinter. Hal
ini sering menghasilkan penyusutan dan porositas residu yang cukup banyak, namun
struktur yang lebih kompleks dapat dibuat dalam proses ini daripada kebanyakan yang
lain proses konvensional.
734
Dalam modifikasi proses ini, campuran pengikat keramik dapat diekstrusi atau
dikeluarkan seperti pada proses FDM untuk membentuk produk hijau yang disebut
kemudian disemprot tanur seperti ditunjukkan di atas. Sebelumnya menggunakan proses
pengikat keramik, terutama kaset pengikat keramik, sering disebut sebagai manufaktur
benda berlapis sebagai kategori pembuatan lapisan (aditif). Ini bisa diletakkan sebagai
laminasi dan dipangkas oleh laser seperti yang diarahkan oleh program CAD. Binder sering merupakan turunan asam metakrilat. Modifikasi lain dari teknologi ini telah
melibatkan pencampuran bubuk keramik (seperti Al2O3) dengan resin polimer yang
dapat difotokulasi dan diproses dengan stereolithography (Gambar 1), dimana produk
fabrikasi disinter pada suhu tinggi bersamaan dengan pengikat pengikatnya. Sejalan
dengan itu, produk komposit keramik polimer juga dapat dibuat secara langsung seperti
yang ditunjukkan sebelumnya, dimana keramik, bahkan dalam bentuk serat,
memperkuat matriks polimer cored.
Meskipun SLS dapat berupa teknologi manufaktur berbasis terbatas (bahkan prototipikal) atau teknologi manufaktur dengan volume tinggi, ia mampu menghasilkan
geometri produk yang dapat disematkan di file STL, model CAD seperti
stereolithography, atau FDM. Akibatnya, komponen sel terbuka yang kompleks
(Gambar 6a) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 mudah dibuat oleh SLS, serta
Gambar 11 Contoh konfigurasi dan produk SLS yang dibuat. (a) Komponen
geometri kompleks. (b) produk komoditi; beberapa bagian produksi contoh (gambar
Google)
735
berbagai macam produk dan komponen komoditas lainnya seperti yang dapat
digambarkan secara khas pada contoh yang ditunjukkan pada Gambar 11. SLS mesin
diproduksi di seluruh dunia dan digunakan di berbagai tempat pembuatan aditif bersama
dengan sistem FDM, yang diproduksi sebagai printer 3D pribadi yang tersedia di pasar
yang sangat umum. Ini digunakan di setiap pembuatan produk - manufaktur yang ada dari produk coklat kompleks hingga barang komoditas plastik bergerak yang mudah
bergerak, yaitu produk dengan komponen bergerak dan interkoneksi yang dapat
digerakkan seperti roda gigi, dan sebagainya. Ini telah disebut sebagai manufaktur
generasi berikutnya. atau "resolusi industri ketiga" (Whadcock 2012).
Referensi
Bakke KA (1992) The surface evolver. Exp Math 1:141 165Bartolo PJ (2011) Stereolithography: materials, processes and applications. Springer,
New York Chua CK, Leong KF, Lim CS (2003) Chapter 6, Rap id prototyping formats. In: Rapid
prototyping: principles and applications. World Publishing, Singapore, p 237 Gibson I, Rosen DW, Stucker B (2010) Additive manufacturing technologies: rapid
prototyping to direct digital manufacturing. Springer, New York Hull CW (1986) Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography.
US Patent 4,575,330 Jacobs PF (1992) Rapid prototyping and manufacturing. SME, Dearborn Mankovich NJ, Samson D, Pratt W, Lew D, Breumer J (1994) Surgical planning using
3-dimensional imaging and computer modeling. Otolaryngol Clin North Am 27(5):875 889
Melchels FPW, Fejpen J, Grijpma DW (2010) A review on stereolithography and its applications in biomedical engineering. Biomaterials 31:6121 6130
Russell J, Cohn R (2012) Fused deposition modeling. Wikipedia, Bookvika Publishing (on demand publishing format)
Sarment DP, Sukovic P, Clinthorne N (2003) Accuracy of implant placement with a stereolithographic surgical guide. Int J Oral Maxillofac Implants 18(4):571 577
Wang G, Zheng B, Li X, Houkes Z, Regtien PPL (2002) Modeling and calibration ofthe laser beam-scanning triangulation measurement system. Robot Auton Syst 40:276 277
Whadcock I (2012 April 21) A special report: a third industrial revolution. The
Economist :3 21
736
Pabrikasi Digital dengan Elektronik Tertanam (Digital Fabrication with
Embedded Electronics)
Isi Pendahuluan ........................................................................................................736
Narasi ..................................................................................................................736
Referensi .............................................................................................................740
Abstrak Pembuatan sirkuit terpadu dengan teknologi litografi adalah konsep pencetakan
3D berdimensi terbatas yang dapat diperluas dengan membangun struktur dimensi yang
lebih besar di mana struktur perangkat elektromekanik dan perangkat mekanis dapat disematkan. Ini melibatkan hibrida, interkoneksi, lapisan, elektronik fungsional bersama
dengan sumber daya dan struktur perangkat lainnya yang dibuat dengan beberapa
bentuk pencetakan 3D atau penempatan baru lainnya.
Pendahuluan Dengan cara yang sama, komponen ditambahkan ke permukaan papan dan
sistem elektronik, proses selanjutnya akan menggabungkan beragam sistem
elektromekanis, mekanis elektromekanik elektronik (MEMS) yang lebih modern, sistem
dan perangkat optik, dan perangkat terkait serta sumber daya menjadi 3D. dicetak atau
produk terintegrasi lainnya, proyek 3D. Teknologi ini akan melibatkan tidak hanya
berbagai bahan yang mengeluarkan strategi tetapi juga variasi bahan yang serupa yang
memiliki sifat dan fitur kinerja tertentu. Dalam bab singkat ini beberapa contoh
kontemporer disediakan untuk menggambarkan konsep-konsep ini.
Narasi Sementara banyak contoh laju prototipe atau fabrikasi bentuk bebas padat dan
hibrida mereka telah dipresentasikan sebelumnya di bab ( Bioprinting and
Biofabrication of Organ Rapid Prototyping Technologies: Solid Freeform
Fabrication ). Hal ini terutama berlaku untuk banyak aplikasi militer komersial,
dirgantara, dan terkait dimana miniaturisasi dan fungsionalitas merupakan faktor kunci.
Produk 3D yang sesungguhnya, termasuk komponen elektronik bertingkat dan saling
terhubung bersamaan dengan fungsionalitas lainnya yang dibuat secara digital
(langsung dari rancangan digital (CAD)) oleh proses yang umumnya melibatkan
pencetakan 3D, semakin diminati sebagai komponen perangkat elektronik yang dikemas
secara tradisional, termasuk sirkuit terpadu dan perangkat permukaan - mount, mencapai titik di mana ukuran paket terlalu besar untuk mencapai kerapatan perangkat
yang diinginkan, pada permukaan papan sirkuit yang tersedia.
737
Pendekatan atau solusi yang lebih baik yang berkembang mencakup sistem
pencetakan 3D multitask atau sistem manufaktur aditif hibrida yang dapat menciptakan
serat optik fungsional berlapis yang terhubung dengan komponen tertanam dan
dibungkus, termasuk ICs (atau perangkat semikonduktor akan hilang), sensor, atau
bahkan sistem microelectromechanical ( MEMS) komponen. Ini memberi integrasi aplikasi analog (MEMS) dan digital (elektronik) sirkuit terpadu yang spesifik (ASIC).
Disini interkoneksi dapat melibatkan planar, konduktor cetak berlapis atau interkoneksi
vertikal (via).
Hal ini dapat diapresiasi dalam memeriksa masalah pencetakan 3D dan
fundamental yang tersirat dalam Gambar. 1, 7, dan 10 dari bab
dalam retrospeksi, serta pencetakan drop -
on - demand yang diilustrasikan sebelumnya di Gambar 6 dari bab bahwa fungsi ini dapat diintegrasikan ke dalam rezim manufaktur
aditif yang kompleks, saling dipertukarkan, multifungsi, dan multi-material. Rezim
manufaktur ini mampu membangun struktur struktur fisik kompleks, termasuk
komponen perangkat elektronik, elemen optik, susunan MEMS, dan integrasi IC die
(atau chip) dan MEMS (analogue) lainnya yang masuk ke dalam proses pembuatan
menggunakan variasi alat ambil dan letakkan untuk memasang perangkat ini di dalam
proses pembuatan monolit. Gambar 1b dari bab
mengilustrasikan penempatan perangkat permukaan-permukaan pada sirkuit yang fleksibel, atau sirkuit yang tercetak pada substrat polimer yang fleksibel. Transfer
perangkat yang lebih halus juga dapat menggunakan proses transfer perangkat berbasis
laser yang disebut sebagai "renda dan tempat," teknik tanpa kontak yang
memungkinkan pengalihan perangkat tipis dan sangat kecil yang tidak mudah
disesuaikan dengan alat ambil dan letakkan (Pique dan Chrisey 2012 ). Akibatnya,
sistem SFF dapat mengintegrasikan banyak bahan dan beberapa proses bangunan yang
berbeda untuk membuat piranti elektronik dan elektrokontroler yang kompleks,
fungsional (atau multifungsi) dan terpadu dalam produk 3D monolitik (Lopes et al 2012). Gambar 1 mengilustrasikan sistem SFF yang tersedia secara komersial dengan 4
kepala pengirim, laser CO2 atau YAG, dan system ambil dan letakkan, semuanya
dengan gerakan 3D dan kontrol material yang tepat. Kepala pengeluaran dapat
menampung viskositas pada kisaran 6 urutan besarnya.
738
Gambar 2 mengilustrasikan komponen fabrikasi 3D dengan elektronik tertanam.
Gambar 2 adalah mesin cetak 3D perminan dadu. Ketika dadu dimainkan, sebuah
mikrokontroler dan akselerometer tertanam mengidentifikasi permukaan atas dan
Gambar 1 Mesin multi-head komersial (nScript, Inc.) multi-head, 3D. Tanda Panah
pada keseluruhan tampilan pada (a) menunjukkan komponen multi-head SFF
multifungsi yang diilustrasikan dalam tampilan yang diperbesar di (b) (Courtesy of
W.M. Keck Center for 3D Innovation, University of Texas di El Paso)
739
menerangi tampilan LED yang sesuai seperti ditunjukkan pada Gambar 2b. Gambar 2a
mengilustrasikan model CAD untuk Gambar 2b, sedangkan Gambar 2c
mengilustrasikan tampilan model yang menunjukkan struktur interior yang berisi
accelerometer MEMS 3-axis dan baterai isi ulang lithium polymer yang ditunjukkan
pada tampilan komponen untuk komponen fabrikasi yang sebenarnya pada Gambar. 2d, sedangkan Gambar 2e menunjukkan dadu luar yang dibuat dan dadu dalam komponen
termasuk baterai.
740
Komponen utama lainnya termasuk mikrokontroler 8-bit, transistor MOSFET N-channel, a lithium polymer protection / safety IC, chip kapasitor dan resistor, dan LED
di mata dadu seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2b. Substrat atau bahan dadu
adalah photopolymer stereolithography (ProtoTherm 12120 yang dibuat oleh DSM
Somos), sedangkan interkoneksi tinta konduktif dicetak menggunakan tinta berbasis
tinta Ercon E1660. Sementara komponen elektronik 3D yang tertancap ditunjukkan
pada Gambar 2 merupakan prototip hybrid yang dirakit oleh teknologi cetak 3D terpisah
namun terintegrasi, menjadi mungkin untuk membuat komponen elektronik 3D yang
tertancap dan rumit dalam satu operasi manufaktur aditif tunggal yang menggunakan sistem komersial yang diilustrasikan secara konseptual dalam Gambar 1.
Referensi
Lopes AJ, MacDonald E, Wicker RB (2012) Integrating stereolithography and directprint technologies for 3D structural electronics fabrication. Rapid Prototyp J 18(92):129 143
MacDonald E, Muse DW, Keck WM (2013) Center for 3D innovation. University of Texas at El Paso, Private communication
Pique A, Chrisey DB (eds) (2012) Direct write technologies for rapid prototypingapplications: sensors, electronics and integrated power sources. Academic, San Diego
Gambar 2 Pencetakan 3D terintegrasi permainan dadu. (a) Model CAD. (b) Fabrikasi
dadu sesuai dengan (a) dengan permukaan LED yang diilustrasikan "S". (c) Model
CAD yang menunjukkan bagian interior dadu. (d) fabrikasi interior yang
menunjukkan baterai. (e) Komponen prefabrikasi yang merupakan 3D terintegrasi
yang die in (b) (Courtesy of D. Muse dan E. MacDonald (MacDonald et al 2013), W.M. Keck Center for 3D Innovation, University of Texas di El Paso)
741
Pencetakan Struktur Baru (Novel Structure Printing)
Isi Pendahuluan ........................................................................................................741Struktur Rasio Poisson Negatif (Auxetic) ...........................................................741
Struktur Indeks Refraktif Negatif (Cloaking) ......................................................744
Referensi .............................................................................................................746
Abstrak
Pencetakan struktur baru diilustrasikan melalui pembuatan rasio Poisson negatif
atau struktur auxetic dan indeks negatif struktur retraksi atau struktur terlapis dan
konfigurasi gerakan.
Pendahuluan Sebelum membahas berbagai macam peleburan logam dan paduan dan strategi
pembuatan aditif terkait dengan menggunakan serbuk logam, mungkin menarik untuk
memeriksa beberapa cetakan 3D yang baru, jika tidak biasa, atau struktur yang dibuat
secara aditif.
Struktur Rasio Poisson Negatif (Auxetic)
Pada struktur pertama ini, struktur rasio Poisson negatif diperkenalkan pada bab ini dan diilustrasikan khususnya di
Gambar 6 dan 7 dalam bab akan
ditinjau kembali. Gambar 7b dalam bab
menunjukkan implan baru atau implan geometri (auxetic geometries)
yang memberikan keuntungan unik untuk bahan polimer dan logam sebagai
konsekuensi dari kinerja rasio Poisson negatif yang dihasilkan.
742
Dengan mendefinisikan sel satuan dasar untuk menggambarkan geometri auxeticsederhana yang dapat dimodelkan dalam CAD sebagai tersirat dalam Gambar 3 dan 4
dalam bab rm Fabrication) Untuk
struktur konvensional atau biasa, struktur rasio Poisson negatif dapat dibangun dengan
berbagai teknologi cetak 3D dengan menggunakan model yang tertanam dalam file
STL. Gambar 1 mengilustrasikan prinsip dasar struktur ini. Gambar 1a membandingkan
unit cuboctahedron (3D) terpotong konvensional dibandingkan dengan unit auxetic atau
reentrant. Reentrant mengacu pada sudut dalam poligon lebih besar dari 1800 (sudut negatif) yang pada dasarnya mengarah ke dalam. Konsep ini diilustrasikan lebih khusus
dalam perbandingan unit sel 2 dimensi ke 3 dimensi (struktur kisi reentrant) yang
ditunjukkan pada Gambar 1b. Disini komponen kekuatan dapat ditunjukkan untuk
diberikan oleh (Yang et al 2011).
Gambar 1 Perbandingan bentuk cuboctahedron (kiri) dan reentrant terpotong (kanan) (a), dengan sel unit reentrant 2D dan 3D dan struktur kisi reentrant 3D (b). Unsur unit sel
ditunjukkan dengan garis tebal pada (b). (a) diadaptasi dari (Prawoto 2012), sedangkan (b) diadaptasi dari Yang et al. (2011)
743
Struktur reentrant 3D pada Gambar 1b adalah orthotropik dengan dua arah yang identik
(x1 = x2) yang mewakili bidang x-y dan Z yang merupakan arah ketiga yang dapat
dianggap sebagai lapisan normal atau bentuk bangunan dalam bentuk stereolithografi,
atau teknologi pencetakan 3D. Dari teori balok standar seperti yang tersirat Bambar
88 dalam bab . Untuk struts yang memiliki ketebalan melintang, t, menjadi rasio Poisson (Yang et al 2011):
= H / L dari Gambar 1b. Modulus struktural yang sesuai (atau modulus
Young) untuk struktur reentrant pada Gambar 1b menjadi
(padat).
Akibatnya, dalam memeriksa ulang Persamaan. 7 dalam bab
, kekakuan spesifik versus kerapatan khusus untuk struktur auxetic atau
reentrant dapat ditulis dalam bentuk
dimana subskrip r menunjukkan struktur reentrant dan s menunjukkan struktur padat ,
strukturnya rapat 2012). Ini bisa memiliki nilai antara 10 dan 20.
Greaves dkk. (2011) baru-baru ini telah meninjau beberapa aplikasi teknik
struktur bahan auxetic (reentrant), sedangkan Yang et al. (2011) baru-baru ini membuat
sebuah reentrant 3D, struktur sel terbuka menggunakan sel desain dan model struktur
kisi 3D yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Struktur yang dibuat oleh Yang et al. (2011)
menggunakan pelepasan berkas elektron bubuk Ti-6Al-4V, yang akan dijelaskan pada
bagian selanjutnya secara lebih rinci. Struktur ini juga menunjukkan aplikasi adsorpsi
energi yang menarik dimana berat mungkin merupakan kriteria yang membatasi.Sehubungan dengan fenomena ini, dapat dicatat bahwa kekerasan (atau kekerasan yang
efektif) meningkat untuk struktur auxetic seperti yang diilustrasikan sebelumnya di
gambar 18 dalam bab . Prawoto
(2012) juga baru saja mengulas aspek mekanika komputasional struktur auxetic,
termasuk fitur ini. Manufaktur tambahan menawarkan kemampuan unik untuk membuat
susunan struktur reentrant polimer dan logam, walaupun ukurannya, dan fungsinya
sebanding, dibatasi oleh volume bangun yang tersedia dalam sistem komersial.
744
Struktur Indeks Refraktif Negatif (Cloaking)
Masalah membangun volume atau membangun kapasitas dalam teknologi cetak 3D juga
merupakan beberapa konsekuensi dalam mempertimbangkan pencetakan 3D dari
struktur indeks bias negatif, atau lebih banyak lagi struktur cloaking atau berbagai
Gambar 2 Struktur dan contoh Stealth. (a) Northrop - Grumman B-2 Spirit radar
stealth bomber. (b) Struktur bangunan bandara yang tersembunyi untuk difraksi
gelombang radio (Courtesy of H. Grouse, Airbus S.A.S.). (c) kain cetak 3D (Google
Image). (d) Kain tembus pandang atau jubah (Courtesy of Hyperstealth Biotechnology, British Columbia, Kanada).
745
stealth dan geometri, atau metamaterials seperti yang telah dibahas sebelumnya pada
Bagian III. Dalam kasus teknologi persembunyian yang lebih familiar yang mana
membuat struktur ideal tidak terlihat oleh radar, inframerah, dan bentuk panjang
gelombang deteksi lainnya digunakan untuk mengarahkan kembali gelombang
elektromagnetik ini. Dalam aplikasi ini, komposit dielektrik lebih transparan terhadap radar, sementara bahan konduktif seperti logam atau komposit serat karbon bersifat
reflektif. Permukaan datar dan faset seperti karakteristik bomber B-2 yang ditunjukkan
pada Gambar 2a memusatkan energi radar yang tersebar terutama ke arah scatter ke
depan dan jauh dari sumbernya. Mungkin diingat bahwa radar cakrawala ditandai
dengan panjang gelombang berkisar antara 10 sampai 100 m (sesuai dengan frekuensi
berkisar antara 3 sampai 30 MHz). Demikian pula, Gambar 2b menggambarkan bagian
dari apa yang disebut sebagai "teknologi bangunan bandara tersembunyi" yang dikembangkan oleh Airbus. Dalam konsep ini, panel aluminium dengan bentuk dan
dimensi yang sesuai difraksi gelombang radio untuk menghentikan mereka mencapai
landasan pacu bandara. Perlu dicatat bahwa Gambar 2b mengemulasikan fitur kisi
difraksi untuk struktur serangga seperti yang disebutkan dalam Gambar 8b, c bab
"Rapid Prototyping Technologies: Fabrikasi Solid Freeform" , namun untuk jarak
sekitar > 108 lebih besar (ukuran meter versus ratusan nanometer).
Urzhumov dkk. (2013) baru-baru ini menggambarkan fabrikasi berbasis polimer
stereolithographic dari perangkat cloaking microwave X-band (~ 10 GHz). Perangkatini adalah cangkang dari komposit dielektrik udara yang memiliki berbagai lubang
dengan berbagai bentuk dan ukuran untuk menghilangkan radiasi gelombang mikro.
Jubah seperti mantel memiliki lubang bundar di bagian tengahnya dimana benda buram
dapat ditempatkan. Ketika sinar gelombang mikro ditujukan ke objek melalui ukuran
disk, objek pada dasarnya tidak terlihat karena reradiasi kembali ke ruang kosong di sisi
bayangan jubah.
Konsep ini mungkin diperluas ke bentuk kompleks atau bentuk array melalui
pencetakan kain yang diilustrasikan pada Gambar 2c. Kain semacam itu idealnya dapat terdiri dari serat logam dan serat dielektrik atau susunan serat untuk menciptakan
metamaterial yang diperlukan untuk aturan indeks bias negatif di bagian spektrum yang
terlihat. Gambar 2d menunjukkan "jubah tak terlihat" semacam itu dengan
menggunakan struktur kain yang diperlukan yang belum diungkapkan oleh
produsennya, namun pastinya dapat direkayasa ulang dan disematkan di CAD untuk
memungkinkan pencetakan 3D.
746
Referensi
Nat Mater 10:823 837Prawoto Y (2012) Seeing auxetic materials from the mechanics point of view: a
structural review 153Urzhumov Y, Landy N, Driscoll T, Basov D, Smith DR (2013) Thin low-loss dielectric
coatings for free-space cloaking. Optics Lett 38(10):1606 1608Yang L, Harrysson O, West II H, Cormier D (2011) Design and characterization of
orthotropic re-entrant auxetic structures made via EBM using Ti6Al4V and pure copper. In: Bourell D
(Ed) Proceedings of the 21st solid freeform fabrication symposium. University of Texas,
Austin, TX, pp 464 474
747
Teknologi Peleburan Menggunakan Sinar Laser dan Electron
IsiPendahuluan ........................................................................................................747
Prinsip Peleburan Laser Selektif (SLM)..............................................................751
Prinsip Peleburan Sinar Elektron (EBM) ............................................................754Contoh Aplikasi SLM dan EBM: Masalah Material ...........................................758
Refesensi..............................................................................................................768
Abstrak teknologi peleburan sinar laser dan elektron disajikan dalam bab ini bersama dengan berbagai contoh produk logam dan paduan yang dibuat oleh teknologi ini.
Pelepasan sinar laser atau peleburan laser selektif (SLM) berbeda dengan proses
pelepasan sinar elektron (EBM) yang memproses serbuk logam atau paduan dalam
atmosfer inert yang bertentangan dengan ruang hampa udara. Peleburan dan solidifikasi
yang kompleks dari lapisan metalurgi penyearahan directional baru.
Pendahuluan Meskipun Gambar 10 di bab "Rapid Prototyping Technologies: Solid Freeform
Fabrication" memberikan pandangan umum untuk sintering laser selektif (SLS) proses
seperti yang telah dibahas sebelumnya terutama untuk polimer dan bahan peleburan
rendah lainnya, ada beberapa perbedaan penting yang perlu ditangani untuk pemrosesan
serbuk logam dan paduan dengan menggunakan sinar laser atau elektron. Salah satu
masalah penting adalah bahwa dalam serbuk polimer sintering, perimeter partikel yang meleleh sebagian yang menentukan rezim sinter tidak berubah berbeda dengan pusat
partikel serbuk yang tidak dilapisi. Namun, untuk logam, titik pusat struktur mikro
partikel yang tidak dimeleleh biasanya akan berbeda, bahkan secara signifikan, dari
batas melelehnya. Selain itu, termokinetika (seperti laju pendinginan zona sekeliling
disinter) juga akan mempengaruhi struktur mikro, terutama pada sisa mikroorganisme
padat residu.
748
Aditif (lapisan) manufaktur menggunakan sinar laser dan elektron sebagai
teknologi pemanas sumber gunanya secara selektif menyatu atau melelehkan logam
terkait atau paduan powder bed. Ini juga disebut powder bed fusion (PBF). Dalam
proses ini partikel di lapisan yang terkena benar-benar meleleh. Selain itu, lapisan
berikutnya dilebur ke lapisan sebelumnya sehingga menciptakan zona berlapis padat / cair berlebih. Proses ini tentu saja sangat berbeda dari solidifikasi tradisional dari
pelelehan yang terus menerus sebagai konsekuensi dari pendinginan di zona padat / cair
(meleleh).
Sistem peleburan laser selektif (SLM) (juga kadang-kadang disebut Direct Metal
Laser Sintering Systems) mulai tersedia secara komersial di tahun 1990an, sebagian
besar berasal dari produsen Jerman. Sistem ini, seperti yang digambarkan secara
konseptual pada Gambar 10 dari bab "Rapid Prototyping Technologies: Solid Freeform
Fabrication," menggunakan sistem penglihatan cermin untuk memindai sinar laser dengan optik pra-atau pasca-fokus. Sementara gerakan mekanis dari cermin pemindaian
memungkinkan pemindaian sinar laser yang akurat sampai tingkat pemindaian 15 m / s,
pemindaian elektromagnetik pada sistem peleburan berkas elektron memungkinkan
lebih dari 2 orde kecepatan pemindaian berkas elektron yang lebih besar dengan akurasi
Gambar 1 Sistem peleburan laser selektif (SLM) skematis. Komponen bernomor
dijelaskan dalam teks. B menunjukkan bagian membangun arah pada proses pembuatan platform yang bergerak turun dengan masing-masing lapisan selektif meleleh dan rolling
(4) lapisan baru. Proses pembuatanbiasanya dilakukan di lingkungan gas argon (Ar) atau
nitrogen (N2) yang di murnikan
749
yang sesuai. Kekuatan laser dapat bervariasi dari 0,5 sampai 1 kW untuk laser berberat
silika YAG, Nd: YAG, atau Yb-doped, baik gelombang kontinyu atau bergetar, dengan
panjang gelombang bervariasi dari 0,3 sampai> 1 pm. Laser gas CO2 juga telah
Gambar 2 Melelehkan pemindaian dan lapisan bubuk selektif yang mencair
membentuk geometri bagian yang kompleks dari mana bubuk yang tidak dilapisi
dapat dilepaskan (a). (b) menunjukkan contoh bubuk tembaga yang teroksigenasi
750
Teknologi peleburan sinar laser dan elektron berasal dari teknologi pengelasan.
Sistem pengelasan sinar elektron pada awalnya diproduksi pada tahun 1950an, dan
sekarang ada hampir 2000 sistem di seluruh dunia.
Sinar elektron berinteraksi secara berbeda dari sinar laser dan sinar elektron dapat
menghasilkan kerapatan energi jauh lebih tinggi daripada sinar laser. Sistem pelepasan
sinar elektron (EBM), seperti sistem pengelasan sinar elektron, menyerupai konfigurasi
Gambar 3 Campuran kemasan bubuk yang ideal: ukuran partikel unisized (a-c) dan
terdistribusi (d). (a) menunjukkan bagian atas tampilan (b) dan (c). (d) dapat
mewakili kedua sisi (ketebalan lapisan) dan tampilan puncak
751
optik elektron klasik seperti pemindaian atau mikroskop elektron transmisi meskipun
arus balok jauh lebih tinggi dan sistem lensa lebih sederhana.
Prinsip Peleburan Laser Selektif (SLM)
Gambar 1 mengilustrasikan fitur utama sistem SLM, terkecuali untuk
persyaratan atmosfir inert dan laser daya yang lebih tinggi, sama dengan sistem SLS di
Gambar 10 dari bab "Rapid Prototyping Technologies: Fabrikasi Solid Freeform."
Gas inert yang digunakan dalam pembuatan logam paduan SLM atau serbuk
paduan biasanya mengandung argon (Ar) atau nitrogen (N2 atau N2). Lensa korektif
yang ditunjukkan pada (3) pada Gambar 1 memastikan sinar berputar karena memindai
powder bed pada proses platform (5) dan mempertahankan kecepatan sinar yang
proporsional dengan kecepatan sudut cermin pemindaian pada (2).
Seperti ditunjukkan secara ideal pada Gambar 2, Sinar pemindai secara selektif
melelehkan lapisan powder bed yang kemudian meleleh ke lapisan lelehan dan
berpendingin sebelumnya. Seperti pada proses SLS ( Gambar 10 dari Bab "Rapid
Prototyping Technologies: Fabrikasi Solid Freeform" ), powder bed (dan bangunan)
sedikit dipanaskan. Sinar laser, atausinar energi, diserap di lapisan serbuk dalam
Gambar 4 Skema sistem EBM (a) dengan contoh bubuk superalloy nikel base,
Inconel 625), dan histogram ukuran partikel yang sesuai yang menunjukkan
distribusi ukuran partikel yang cocok dengan Gambar 3 (d). (c) Ukuran partikel rata-
752
beberapa korespondensi dengan ukuran partikel dan kerapatan kemasan atau
pengepakan. Adsorpsi untuk logam seperti serbuk tembaga pada Gambar 2b adalah
faktor 15 yang lebih be
1983). Pengepakan partikel juga memengaruhi konduktivitas termal, meningkatkan bubuk yang dikemas lebih dekat seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3. Powder bed
berpori juga mendorong refleksi sinar, mengurangi efesiensi proses. Fenomena multi-
refleksi juga menyebabkan pengangkutan radiasi pada lapisan serbuk yang lebih dalam
dan dapat menyebabkan ikatan leleh yang sering diamati pada produk logam atau
paduan yang dibuat. Dalam kasus yang paling sederhana, masukan energi yang
diperlukan untuk memulai pencairan di sepanjang vektor pemindaian dengan diameter
sinar konstan, d, dan garis pemindaian jarak bergantung pada daya laser, PL, dan kecepatan pemindaian, vs:
Sejalan dengan itu, energi meleleh (atau fusi) minimum untuk lapisan powder bed
(partikel) adalah
Gambar 5 sistem Acram A2 EBM
753
Dimana Cp adalah kapasitas panas pada tekanan konstan, CM adalah energi lelehan
dalah kerapatan partikel serbuk, V adalah volume partikel rata-
di mana r adalah jari-
meleleh terjadi. Dari Persamaan 2, efesiensi proses dapat dinyatakan sebagai
adalah densitas dan d adalah diameter sinar laser (fokus) atau ukuran titik.
Dimana p adalah densitas dan d adalah diameter sinar laser (focus) atau ukuran spot.
Gambar 6 Q-6Al-4 V fokus (offset) urutan urutan uji pengoptimalan untuk
pemrosesan EBM. Blok dilambangkan (1-12). Perhatikan variasi kekasaran
permukaan yang terkait dengan garis pemindaian meleleh
Gambar 7 Komposisi mikroskop cahaya Ti-6Al-4 V 3D yang sesuai dengan fokus
angka uji offset pada Gambar 6. Arah proses dicatat pada panah B. Komposisi sesuaidengan bagian blok uji pada Gambar 6. Angka kekerasan mikro ditunjukkan di GPa
Mikrostruktur paling lunak sesuai dengan blok uji (6) dan (12) (Gambar 6)
754
Prinsip Peleburan Sinar Elektron (EBM)
Arcam AB, Swedia, teknologi sinar elektron yang disesuaikan untuk SFF pada
akhir 1990an. Meskipun secara konseptual mirip dengan SLM, sistem EBM
ditunjukkan secara skematis pada Gambar 4a menghasilkan sinar elektron energi tinggi
dalam konfigurasi senapan elektron standar yang beroperasi pada potensial 60 kV. Sinar
arus di puluhan milliampere digunakan untuk menciptakan sinar energi yang sebanding
dengan energi sinar laser. Namun, kecepatan pemindaian untuk sistem EBM adalah
perintah yang besarnya lebih besar daripada sistem peleburan laser seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Interaksi sinar elektron dengan powder bed sangat kompleks dan berbeda secara
mendasar dari interaksi sinar laser. Hal ini disebabkan oleh perubahan dan momentum
(atau energi kinetik) elektron. Interaksi berkas elektron juga berkorelasi dengan sifat
bubuk (ukuran, distribusi ukuran, densitas, kimia, dll) yang diilustrasikan secara fisik
Gambar 8 Variasi fase lenticular (d-hcp) pada paduan Ti-6Al-4 V buatan EBM pada kondisi proses yang berbeda. (a) arus sinar 6 mA, kecepatan pemindaian 300 m / s
meleleh. 3.4 kekerasan microindentation GPa. (b) arus sinar 3 mA, kecepatan
pemindaian 400 m / s meleleh. 4.3 GPa microindentation hardness
755
pada Gambar 4b, c untuk superalloy nikel-base: Inconel 625 (66 % Ni, 21 % Cr, 9 %
Mo, 4 % Nb, 0,4 % Fe, jejak C dan Ti; dalam persen berat) .
Kekuatan elektrostatik dan elektrodinamik yang terkait juga dipengaruhi oleh tahanan listrik (atau konduktansi yang sesuai) dari serbuk yang bergantung pada ukuran partikel
dan distribusi ukuran (Gambar 3) yang mengendalikan pengepakan atau kontak. Ini juga
memengaruhi konduktivitas termal seperti yang disebutkan di atas untuk SLM. Interaksi
kompleks ini sering menyebabkan penyebaran serbuk pada konteks dengan sinar
elektron. Untuk menghindari masalah ini, powder bed di EBM (Gambar 4a) dipaparkan
untuk menginduksi suhu yang baru mulai menyisir partikel, biasanya 0,4 TM (di mana
TM adalah suhu leleh). Pemindaian panas prescan atau pori panas ini dilakukan pada
pancaran arus tinggi dan pada kecepatan pemindaian sangat cepat (10 3 2 mm / s), kira-kira 10 lebih cepat daripada pemindaian meleleh yang juga dilakukan pada pancaran
arus yang dikurangi. Akibatnya, penyesuaian daya pancaran dan kecepatan pemindaian
Gambar 9 Fitur proses / fabrikasi SLM atau EBM: pembentukan lapisan lelehan
yang terdiri dari kolam lelehan diskrit (L). Biji-bijian kolumnar dan mikrostruktur
yang berpusat pada kolam dirancang di padatan (S)
756
ini mengendalikan masukan energi secara implisit dalam Persamaan. Pemindaian
preheat seringkali dapat melibatkan hingga selusin siklus dimana sinar dipindai dengan
arah x-y bergantian atau memindai vektor di powder bed (atau lapisan meraup) seperti
yang tersirat pada Gambar 4a.
Gambar 5 menunjukkan sistem Acram A2 EBM, yang pada tahun 2013 adalah
satu-satunya sistem EBM yang tersedia secara komersial. Bagian kiri unit pada Gambar
5 adalah sistem kontrol yang menggunakan sistem STL-CAD untuk membersihkan
lapisan powder bed, memanaskan bubuk, dan secara selektif melelehkan lapisan pra-
pemanas sesuai dengan strategi membuat spesifik yang diinvestasikan dalam program
CAD. Ini termasuk parameter proses yang dioptimalkan seperti arus sinar, ukuran sinar ,
jarak vektor sinar (atau jalur), tingkat pemindaian dan urutan (xy) (atau x, y pada
lapisan bolak-balik, dll.), mencairnya tingkat pemindaian dan arus sinar. Sebagian besar ini membuat strategi pengembangan dan optimasi (optimasi parameter) dilakukan
dengan trial and error eksperimental berjalan atau proses abbreviated dan geometri
proses. Sinar fokus, tergantung sampai batas tertentu pada ukuran bubuk atau distribusi
Gambar 10 kolam lelehan banding sesuai dengan vektor pemindaian lelehan bolak-balik
pada fabrikasi SLM bubuk inconel 718 pra-alloy (53,5 Ni-19 Cr-18.3 Fe-5Nb-3Mo-1Ti-0,43 Al). (a) Magisterisasi yang rendah (b) Magisterisasi yang lebih tinggi. Arah
proses ditunjukkan oleh panah pada (a)
757
ukuran yang tersirat dalam Persamaan. 2 dan 33, dapat dipilih dari rangkaian yang
disebut dengan fokus offset yang terbentuk dimana permukaan mencair dan tampilan
pemindaian meleleh yang dipilih dengan didasarkan pada pemeriksaan struktur mikro
residu dan yang terkait.
Gambar 6 mengilustrasikan selusin uji coba offset fokus tersebut, sementara Gambar 7
menunjukkan beberapa mikrostruktur yang sesuai dalam konstruksi metallograph optik
3D untuk paduan Ti-6Al-4 V, dengan titik lebur 1.570 ° C.
Dalam urutan pengoptimalan ini (Gambar 6 dan 7), nomor offset fokus (6)
dipilih. Kondisi fokus sinar ini juga melibatkan variasi arus sinar dan juga ukuran spot
atau sinar (d) variasi, dimana pada dasarnya fokus sinar terjadi pada jarak tertentu dari
permukaan powde bed dan dalam dimensi lapisan dasar yang ditentukan, yang, seperti
dicatat sebelumnya (Gambar 3), akan tergantung pada ukuran partikel serbuk dan distribusi ukuran. Dan sementara Gambar 7 hanya menunjukkan variasi kecil pada
-lenticular sebagai ukuran fasa dalam paduan Ti-6Al-4 V dengan nomor offset
fokus, tidak mungkin untuk mengendalikan atau memvariasikan ukuran butiran atau
Gambar 11 Komposisi mikroskop EBM 3D-optik (ringan) mewakili bagian dari
produk fabrikasi Ti-6Al-4 V, menunjukkan lapisan striasi atau pita (panah di
sebelah kanan) yang mewakili ketebalan lapisan ~
(HV) dan kekerasan skala Rockwell C (HRC) diperlihatkan
758
struktur mikro melalui variasi atau penambahan tambahan pada strategi membuat,
termasuk beberapa pemindaian meleleh atau pemanasan pasca-lelehan yang dapat
menyebabkan fase pertumbuhan atau fasa perubahan
.
-fasa) berubah dengan arus sinar
(daya sinar atau kerapatan energi: area energi / unit titik sinar). Kami akan memeriksa
masalah ini secara lebih rinci nanti, terutama dalam rangka memproses (produk) tingkat
pendinginan karena dipengaruhi oleh dimensi atau massa produk. Bagian besar atau tinggi dengan massa besar tetap panas terutama bagian atas karena konduksi panas.
Fenomena serupa juga terjadi pada komponen fabrikasi SLM dan terutama karena
tingkat pemindaian sinar lebih rendah dan lingkungan gas inert memberikan
pendinginan konvektif yang lebih efisien daripada kekosongan sistem EBM.
Contoh Aplikasi SLM dan EBM: Masalah Material
Evolusi mikrostruktur dalam fabrikasi SLM atau EBM lebih kompleks daripada
evolusi mikro yang terkait dengan pertumbuhan untuk pertumbuhan tuang atau kristal
terarah atau bahkan proses solidifikasi yang lebih konvensional. Hal ini karena lelehan
bergantian dalam proses pembentukan lapisan dan terjadi di kolam lelehan yang
terisolasi atau semi-terisolasi terutama untuk pemindaian sinar x-y, yang menghasilkan
Gambar 12 Perbandingan komposisi mikroskop cahaya 3D untuk komponen PHM -
fabrikasi 17-4 PH. (a) Paduan awal, serbuk 17-4 PH yang dikelompokkan dalam N2
dan dibuat oleh SLM dalam lingkungan argon (Ar) (N2 / Ar). (b) Campuran serbuk
17-4 PH yang ditumbuk di N2 dan dibuat oleh SLM di lingkungan nitrogen (N2 /
N2)
759
energi seperti Gauss dan profil pemanasan dalam volume kolam lelehan. Fakta bahwa
kolam lelehan yang terisolasi terbentuk pada lapisan bawah yang sebelumnya meleleh
dan didinginkan yang mungkin mendekati dimensi kolam lelehan yang sama dapat
mendorong beberapa asosiasi dengan epitaksi yang dibagi. Konsep ini dapat
divisualisasikan dari tampilan skematik yang diberikan pada Gambar 9. Dimensi kolam lelehan yang ditunjukkan pada Gambar 9 terutama bergantung pada lebar garis
pemindaian yang juga terkait dengan ukuran spot atau diameter sinar pada permukaan
lapisan serbuk.
Bergantung pada energi sinar atau kerapatan energi, fluks panas atau profil panas akan
berubah, memberikan variasi suhu antara pusat kolam lelehan dan ujungnya di mana ia
memenuhi profil kolam lelehan lainnya seperti yang diilustrasikan pada Gambar 9.
Nukleasi dan pertumbuhan akan terjadi, di bawah kondisi termodinamika atau
thermokinetik yang dipaksakan oleh strategi membangun, meningkatkan pertumbuhan terarah dan mikrostruktur terkait yang dapat diubah atau terganggu pada terlihat solid /
meleleh, sesuai dengan ketebalan lapisan. Fitur ini lebih terasa untuk SLM yang berbeda
dengan EBM sebagai konsekuensi variasi dan kompleksitas pengendapan energi dari
sinar (laser vs elektron) dan energi sinar (atau daya) dan kecepatan pemindaian
Gambar 13 Komparatif XRD spektrum sesuai dengan SLM -fabrikasi 17-4 PH
komponen pada Gambar 12. (a) Fabrikasi dalam argon (N2-Ar). Rangkaian
referensi horisontal dan vertikal sesuai dengan komposisi 3D pada Gambar 12a. (B)
Diproduksi dengan nitrogen (N2-N2). Rangkaian referensi horisontal dan vertikal sesuai dengan komposisi 3D pada Gambar 12
760
(Persamaan 1). Ini diilustrasikan secara komparatif pada Gambar. 10 dan 11 untuk
proses SLM dari komponen Inconel 718 dan proses EBM dari komponen Ti-6Al-4 V.
Wilayah lapisan transisi atau lapisan dalam masing-masing mewakili suatu rezim
mikrostruktur dan mikroorganistik yang spesifik, yang bisa sama atau berbeda dari
lapisan itu sendiri. Hal ini juga dapat ditekan atau dihilangkan dengan memilih parameter proses yang sesuai baik dalam SLM maupun EBM.
Gambar 14 Perbandingan mikroskop cahaya 3D (a) dan mikroskop elektron
transmisi (b) komposisi untuk serbuk pra-paduan 17-4 PH yang dikelompokkan dalam argon dan dibuat oleh SLM dalam lingkungan gas argon
Gambar 15 komposisi gambar mikroskop cahaya biru untuk tembaga buatan EBM.
Kolom-kolom presipitat Cu2O yang tidak beraturan terbentuk. B menunjukkan arah
pembuatannya
761
Gambar 16 Komposisi gambar 3D-TEM mewakili bagian magnif pada Gambar 15
yang menunjukkan presipitat Cu2O bercampur dengan dislokasi dan dislokasi kusut.
Titik-titik kecil di daerah yang jelas atau pusat seperti sel adalah loop dislokasi kecil.
B menunjukkan arah pembuatan seperti pada Gambar 15
Gambar 17 gambar TEM yang diinterpretasikan untuk presipitat Cu2O dan struktur
mikro dislokasi yang sesuai dengan bidang referensi vertikal Gambar 16, sejajar
dengan arah proses yang ditunjukkan oleh B
762
Ada aspek-aspek ini yang dapat diamati pada membandingkan Gambar 12a, b
dengan Gambar 10. Lapisan kolam lelehan kurang terlihat pada Gambar 12b daripada
pada Gambar 10. Sebagai tambahan, baja tahan karat 17-4 PH terbentuk pada Gambar.
12a, b mewakili fitur unik fabrikasi SLM lainnya yang berhubungan dengan fase gas (Gambar 1). Gambar 12a menunjukkan butiran biji-bijian yang tidak beraturan, seperti
batang kanji (bcc) yang umumnya berorientasi pada arah pembuatan (panah berat).
Bubuk pra-paduan 17-4 PH (17,5 Cr, 4 Ni, 4 Cu, 1 Mn, 0,5 Nb, bal. Fe dalam% berat)
yang digunakan dalam pembangunan komponen yang ditunjukkan pada Gambar 12a
adalah gas yang dikabutkan, atau dengan cepat (N2-Ar) menggunakan mesin EOS
(Jerman) M 270 SLM dengan sumber laser 0,2 kW. Sebaliknya, dengan menggunakan
serbuk atomisasi ini oleh proses SLM di fase nitrogen (N2) menghasilkan mikrostruktur
-fcc (austenit) yang serupa dengan yang digambarkan untuk perbandingan pada Gambar 12b. Transisi fasa yang tersirat dalam perbandingan mikrostruktur pada
Gambar 12 diperkuat dalam spektrum XRD komparatif dan sesuai yang ditunjukkan
pada Gambar 13a, b. -Fe -Fe ini
oleh bangunan SLM di lingkungan Ar
Gambar 18 SEM melihat serbuk atomis 625 (serbuk Ni-based superalloy) (a). (b) menunjukkan pemandangan magmat dari partikel yang ditandai dengan panah kecil
pada (a). Perhatikan struktur microdendrite
763
Gambar 19 Tampilan penampang mikroskop cahaya struktur microdendrite pada partikel serbuk serbaguna 625 pada Gambar 18b
Gambar 20 komposit gambar mikroskop 3D-cahaya yang menunjukkan kolom
uan buatan EBM 625 (Inconel 625:
superalloy Ni-base). Batas butir dicatat pada GB. Panah ke kanan GB menunjukkan
arah proses pembuatan
764
Berbeda dengan fase N2 sebagai hasil pendinginan konstitusional di N2 berbeda dengan
Ar karena konduktivitas termal gas N2 ~ 40% lebih besar dari pada gas Ar pada rentang
suhu yang lebar. Seperti yang diamati pada Gambar 13a, bahan tersebut benar- -
Fe (martensit) dan sangat magnetik, sementara hanya sisa- -Fe yang dipertahankan
pada produk 17-4 PH buatan N2 pada Gambar 13b, yang bersifat nonmagnetik. Selain
itu, kekerasan mikrostruktur residual yang terkait dengan produk m -Fe pada -Fe pada Gambar 12b adalah 2.2
GPa (Murr et al 2012). Gambar 14a menunjukkan komponen SLM - fabrikasi 17-4 PH
menggunakan bubuk pra-paduan yang dikelompokkan dalam argon dan dibuat dalam
gas argon seperti pada Gambar 12a. Spektrum XRD identik dengan Gambar 13a,
-Fe. Gambar 14b menunjukkan struktur mikro dislokasi yang menyusun
-Fe yang berorientasi pada arah pembuatan (B pada Gambar 14b). Hal ini juga
dapat dicatat pada Gambar 13a, b bahwa ada tekstur yang dapat dikenali di kedua
bidang acuan horizontal yang tegak lurus terhadap arah pembuatan dan bidang referensi vertikal sejajar dengan arah pembuatan (Gambar 12a):
-Fe (austenitik) yang ditunjukkan pada Gambar 13b menunjukkan
skematis untuk membangun mikrostruktur atau evolusi struktur mikro yang
diilustrasikan pada Gambar 9.
dengan bidang Ni-Cr (fcc) matriks {111}
yang ditunjuk oleh panah a dan b. B menunjukkan arah proses EBM
765
\
Meskipun banyak aplikasi fabrikasi EBM dalam subbab yang berjudul "Bahan
dan Struktur Implant" di bawah bagian "Biomaterial" telah diilustrasikan, beberapa
contoh baru akan ditambahkan untuk melengkapi contoh-contoh SLM yang ada pada
Gambar. 12, 13, dan 14. Contoh-contoh ini dimulai dengan contoh agak baru dari proses
EBM yang dihasilkan, struktur mikro endapan kolumnar pada tembaga yang
diilustrasikan pada Gambar 15. Tembaga, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15,
mengandung presipitat Cu2O sebagai konsekuensi reaksi dengan jejak oksigen selama atomisasi di argon. Selama fabrikasi EBM, presipitat Cu2O menjadi entrained di kolam
lelehan bersamaan dengan endapan tambahan seperti yang digambarkan secara skematis
pada Gambar 9 (Ramirez, dkk 2011). Gambar 16 dan 17 menunjukkan detil presipitat
Cu2O, membentuk mikro kompleks dan mikrostruktur interaktif dengan dislokasi dan
loop dislokasi. Pada gambar 15, 16, dan 17, arah pembentuk dicatat oleh B, dan dapat
dilihat pada Gambar 1.5 bahwa arsitektur kolumnar, presip itat (Cu2O) terganggu oleh
urutan pemindaian dimana dapat dicatat pada A dan, di dalam butiran kolom di muka
kanan Komposisi 3D, bahwa kolom presipitasi Cu2O membuat sudut 900 dengan satu sama lain. Ini adalah konsekuensi dari variasi pemindaian x-y dalam prosesnya. Hal ini
juga dapat dicatat pada Gambar 17 bahwa beberapa presipitat mengetsa di etchant yang
digunakan untuk membuat bagian tipis TEM.
Gambar 20 dan 21 dari bab "Bahan dan Struktur Implan" sebelumnya telah
mengilustrasikan arsitektur presipitat kolumnar serupa (Cr23C6) pada fabrikasi EBM
Gambar 22 cahaya TEM - gambar lapangan mewakili bagian magni pada Gambar
-Cr fcc
{111} yang ditunjukkan oleh tanda jejak yang ditandai a dan b. Ini sesuai dengan b
766
superalloy Co-Cr: bandingkan Gambar 20 dari "Bahan dan Struktur Implan" dengan
Gambar 15 di tertentu. Dalam urutan SEM-cahaya mikroskop-TEM gambar pada Figs.
18, 19, 20, 21, 22, dan 23, kami mengilustrasikan contoh tambahan dari fenomena ini
yang menandai pemrosesan EBM dari banyak paduan yang menunjukkan presipitasi
termodinamika. Gambar. 18 dan 19 menunjukkan contoh struktur dan mikrostruktur
untuk Inconel 625, sebuah superalloy nikel-base: secara nominal 61Ni-22Cr-9Mo-
3.5Nb-3.2Fe-0.02C-0.7Mn, Si, Al, Ti, dalam persen berat. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 18b, serbuk ini terdiri dari struktur mikrodendritik yang
ditunjukkan pada bagian dalam partikel pada gambar mikroskop cahaya pada Gambar
19. Gambar 20 mengilustrasikan EBM khas membangun struktur mikro dan arsitektur
mikrostruktur yang terdiri dari kolumnar biji-
(a= 3,6 A , c=7,4 A) pengendapan. Ini diberi jarak di dalam laju kolam lelehan yang
ditunjukkan pada Gambar 20 dan Gambar 22 dari bab" Laser and Electron Beam
Melting Technologies, " dan pada gambar TEM yang rinci pada Gambar 22, ilustratasik -Cr
(fcc) matriks {111} (Murr et al., 2011). Melihat lagi dalam retrospeksi pada Gambar. 20
dan 21 dari bab "Bahan dan Struktur Implan" serta Gambar.15 dan 16, Gambar.16, 17,
dan 18, dan Gambar 9, seseorang dapat menggeneralisasi pengembangan arsitektur
mikrostruktur / kolumnar ini dalam pemrosesan EBM seperti yang diilustrasikan pada
Gambar 23 Skema representasi untuk pengembangan presipitat kolumnar pada
fabrikasi EBM. Bidang horizontal dan vertikal menunjukkan bidang referensi yang
mencirikan komposisi gambar 3D pada Gambar. 15 dan 20 (Diadaptasi dari Gaytan
dkk., 2010)
767
Gambar 19. Fitur-fitur ini juga telah diamati pada fabrikasi SLM dari superalloy nikel-
base Inconel 718 juga, di mana kolom dari bentuk presipitat terbentuk bertepatan
dengan bidang matriks Ni-Cr (fcc) {100} (Amato et al 2012).
Dalam semua contoh ini, kolumnar mengendap, memiliki struktur dan komposisi kristal
yang berbeda, nanosize. Akibatnya fabrikasi sinar laser dan elektron dapat secara unik
mengendalikan konstituen (nanoconstituent) arsitektur. Sementara aspek dari fenomena
ini telah digunakan di berbagai rezim pemrosesan selama beberapa dekade, seperti presisi, directional casting dari bilah turbin seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1c,
d bab "Contoh Struktur Kristal Directional: Aplikasi Komponen Turbin Gas di
Superalloy , " ketepatan teknik nano yang mulai muncul tampaknya menyiratkan
perluasan paradigma sains dan teknik material t radisional yang melibatkan struktur,
sifat, pengolahan, dan kinerja untuk mencakup manipulasi arsitektur mikro. Hal ini
diilustrasikan dalam diagram pada Gambar 24. Secara konseptual, ini menggambarkan,
bersama dengan contoh-contoh yang disebutkan di atas, bahwa sains dan teknik
material, dalam arti luas, memasuki era di mana sifat-sifat material tidak hanya diperoleh atau dimanipulasi oleh pemrosesan rute tetapi juga dengan mengendalikan
atau memanipulasi arsitektur konstituennya, terutama pada skala nano. Isu-isu nano ini
akan dibahas secara lebih rinci di bab " Ilmu Bahan 3D dan Multidimensional."
Gambar 24 Pergeseran paradigma sains dan teknik material baru: dari pemrosesan struktur-sifat - tetrahedron kinerja ke piramida dengan arsitektur mikro di simpul atas
768
Referensi
Amato K, Murr LE, Gaytan SM, Martinez E, Shindo PW, Hernandez J, Collins S,Medina F (2012) Microstructures and mechanical behavior for Inconel 718 fabricated by selective laser melting. Acta Mater 60:2229 2239
Duley WW (1983) Laser processing and analysis of materials. Plenum, New York Gaytan SM, Murr LE, Martinez E, Martinez JL, Machado BI, Ramirez DA, Medina F,
Collins S, Wicker RB (2010) Comparison of microstructures and mechanical properties for solid and mesh cobalt-base alloy prototypes fabricated by electron beam melting. Metall Mater Trans A 41A:3216 3227
Murr LE, Martinez E, Gaytan SM, Ramirez DA, Machado BI, Shindo PW, Martinez JL, Medina F, Wooten J, Ciscel D, Ackelid U, Wicker RB (2011) Microstructural architecture, microstructures, and mechanical properties for a nickel-base superalloy fabricated by electron beam melting. Metall Mater Trans A 42A:3491 3508
Murr LE, Martinez E, Hernandez J, Collins S, Amato KN, Gaytan SM, Shindo PW (2012)
Microstructures and properties of 17-4 PH stainless steel fabricated by selective laser melting. J Mater Res Technol 1(3):167 177
Ramirez DA, Murr LE, Martinez E, Hernandez DH, Hernandez JL, Machado BI, Medina F,
Wicker RB, Frigola P (2011) Novel precipitate-microstructural architecture developed in the fabrication of solid copper components by additive manufacturing using electron beam melting. Acta Mater 59:4088 4099
769
Ilmu Material 3D dan Multidimensional (3D and Multidimensional
Materials Science)
Isi Pendahuluan ........................................................................................................769
Narasi ..................................................................................................................769
Referensi .............................................................................................................772
Abstrak Banyak aspek struktur sains dan teknik material secara mudah dan efektif
diberikan oleh pencitraan 3D dan terkait atau properti yang digunakan. Karena struktur
ini berevolusi secara sistematis seiring berjalannya waktu, rendering sistematis
semacam itu ditandai sebagai 4D. Contoh konsep ini disajikan dalam bab ini.
Pendahuluan Pembaca harus menghargai contoh sains materi 3D yang ada dalam banyak komposisi gambar 3D yang diperlihatkan untuk mikroskop cahaya dan gambar perspektif TEM: Gambar 20 dari "Bahan dan Struktur Implant" dan Gambar. 11-13, 15-17, 20-23, dan seterusnya, di Bab "Laser and Electron Beam Melting Technologies". Tentu saja perspektif ini dapat diperluas ke rangkaian mikrostruktur atau variasi arsitektur mikrostruktur dengan waktu atau suhu, atau waktu dan suhu, atau bahkan jumlah fisik lain yang diukur seperti kekuatan, kekerasan, konduktivitas, dll.
Narasi Bahkan perubahan sistematis yang melibatkan evolusi mikrostruktur atau arsitektur dengan variabel waktu, suhu, atau variabel pemrosesan lainnya dapat diamati secara sistematis oleh sekuens pengamatan multidimensi seperti bingkai pada aliran gambar digital atau analog. Dalam analisis dimensi, jumlah fisik yang mudah diukur melibatkan dimensi dasar - massa, panjang, waktu, suhu, arus listrik, dan sebagainya - walaupun konsep multidimensional klasik melibatkan koordinat Cartesian (x, y, z) yang mewakili 3D dan waktu, yang sering dinyatakan sebagai 4D.
770
Gambar 1 mengilustrasikan contoh sederhana dari evolusi mikrostruktur dan variasi
arsitektur mikrostruktur dengan waktu dan suhu (keduanya konstan) untuk superalloy
Inconel 625 buatan EBM yang dijelaskan pada Gambar. 20-22 di bab "Laser and
Electron Beam Melting Technologies". Pada gambar 2 dari bab "Laser and Electron
setelah 4 jam pada 1.120 ° C (tekanan 0,1 GPa) HIP (penekanan isostatik panas) dalam
argon yang diunggulkan. Hal ini juga mengarah pada pembentukan struktur butir
equiaxed yang mengandung kembar anil sebagai konsekuensi dari matriks fiktif Ni-Cr
dengan efisiensi tinggi. Pengamatan yang cermat terhadap evolusi struktur mikro HIP-
annealing pada Gambar 1 menunjukkan presipitat nepang (nano), bulat atau bundar
sekuens dari fase NiCr2 (lave) (Murr et al 2011). Tentu saja perlakuan panas pada suhu ini pada waktu yang berbeda (mulai dari t = 0) akan mengungkapkan rincian evolusi
struktur mikro, termasuk pertumbuhan butiran, dll. Gambaran serupa dari evolusi
struktur mikro ditunjukkan dalam membandingkan Gambar. 2 dan 3 yang menunjukkan
kolom presipitasi Cr23C6 pada superalloy Co-base yang dibuat oleh EBM pada Gambar
21 dari "Bahan dan Struktur Implan", yang larut pada anil (atau HIPing) pada 1.200 ° C
selama 4 jam (pada tekanan dari 0,1 GPa dalam argon) dan menimbulkan susunan padat
dari kesalahan penumpukan intrinsik yang bertepatan dengan matriks energi bebas
penumpukan ringan Co-Cr fcc seperti ditunjukkan pada Gambar 3 (Gaytan et al., 2010).
Gambar 1 komposisi mikroskop cahaya 3D yang menunjukkan evolusi
mikrostruktur titik akhir dengan suhu dan waktu (T (t)) yang mewakili sains
material multidimensional. -fabrikasi 625
berkembang menjadi struktur biji-bijian Ni-Cr figan yang hampir sama dengan
coincident annealing twins {111} dan nanoprecipitat molekul NiCr2 setelah
pemanasan 4 jam pada 1.120o C
771
Tentu saja, variasi struktur mikro dengan variabel pemrosesan ini dapat diamati pada
banyak contoh mikrostruktur dan evolusi mikrostruktur yang disediakan di sepanjang
buku ini. Sebagai contoh, bandingkan Gambar 12 dari bab "Bahan dan Struktur Implan"
dengan Gambar 7 dari bagian "Laser and Electron Beam Melting Technologies," atau Gambar 7 dari bab "Laser and Electron Beam Melting Technologies" dengan Gambar
16 dari bab "Bahan dan Struktur Implant," yang terkait dengan pemrosesan EBM Ti-
6Al-4V.
Gambar 2 Cahaya TEM yang menunjukkan kolom presipitasi karbida Cr23C6
sesuai dengan superalloy Co-base EBM pada Gambar. 20 dan 21 dari bab "Bahan
dan Struktur Implant". Citra yang tepat adalah pemandangan magmat dari gambar kiri yang direferensikan oleh panah. Presipitat Cr23C6 kubik memiliki parameter kisi
pada - 10.6 A. Perhatikan ukuran presipitat adalah 100 A
772
Referensi
Gaytan SM, Murr LE, Martinez E, Martinez JL, Machado BI, Ramirez DA, Medina F, Collins S, Wicker RB (2010) Comparison of microstructures and mechanical properties for solid and mesh cobalt-base alloy prototypes fabricated by electron beam melting. Metall Mater Trans A 41A:3216 3227
Murr LE, Martinez E, Gaytan SM, Ramirez DA, Machado BI, Shindo PW, Martinez JL, Medina F, Wooten J, Ciscel D, Ackelid U, Wicker RB (2011) Microstructural architecture, microstructures, and mechanical properties for a nickel-base superalloy fabricated by electron beam melting. Metall Mater Trans A 42A:3491 3508
Gambar 3 TEM yang terang menunjukkan patokan susun intrinsik pada produk fabrikasi EBM dalam 42,2 (dan Gambar 20 dan 21 dari "Bahan dan Struktur
Implantasi") setelah 4 jam anneal pada 1.200 ° C. Orientasi permukaan butir adalah
(123). Jejak yang sesuai {111} bidang dilambangkan A, B, C
773
Additive Manufacturing: Mengubah Aturan Manufaktur (Additive Manufacturing: Changing the Rules of Manufacturing)
Isi Pendahuluan ........................................................................................................773
Narasi ..................................................................................................................773
Referensi .............................................................................................................781
Abstrak Aspek pencetakan 3D dan aditif atau pembuatan lapisan dapat diperlakukan
sebagai manufaktur modular atau komponen modular manufaktur dalam pengertian
kontemporer. Manufaktur modular semacam itu melibatkan disain dan fabrikasi produk
khusus atau penyesuaian produk. Proses ini menggabungkan bahan baru beserta strategi
perancangan baru untuk mencapai fitur kinerja baru.
Pendahuluan Untuk sebagian besar abad ke-20, manufaktur berkembang pesat pada produksi massal yang melibatkan bagian dan replikasi produk yang saling dipertukarkan. Tidaklah ekonomis membuat satu atau beberapa komponen, dan sebagian besar manufaktur produk melibatkan perkakas yang rumit dan beragam, beragam operasi ataulangkah dalam menciptakan produk. Beberapa bahan juga terlibat. Selain teknologi pengecoran yang sering melibatkan pemindahan material terbatas, sebagian besar proses manufaktur seringkali membuat komponen kecil dari bahan prekursor yang lebih besar dengan cara memotong dan memperbaiki mesin: pembuatan subtraktif. Proses semacam itu menghasilkan fraksi limbah yang besar relatif terhadap bagian akhir: sampai 90% atau lebih. Banyak limbah seringkali tidak mudah atau praktis dapat didaur ulang, dan kecuali aplikasi lain dari produk limbah ditemukan (sering disebut sebagai sinergi produk sampingan), strategi pembuangan yang tidak praktis harus diterapkan.
Narasi Gambar 1 memberikan contoh sederhana tentang keunggulan manufaktur aditif. Model STL untuk braket pesawat terbang ditunjukkan p ada Gambar 1a, sedangkan Gambar 1b menggambarkan dua bentuk braket yang dibuat oleh EBM. Biasanya dibuat dengan mesin CNC dari blok prekursor, kira-kira 90% adalah limbah, sedangkan kurung yang diberi tenunan EBM memerlukan mesin permadani sedikit atau bahkanpemolesan sederhana untuk menghilangkan burr. Hal ini dapat diamati pada Gambar 1b bahwa ada kekasaran permukaan yang menonjol dalam fabrikasi EBM yang dapatdikurangi sebagian dengan menyesuaikan strategi pembuatan, namun hal ini mungkin tidak ada konsekuensinya dalam beberapa aplikasi. Misalnya, dan seperti yang
774
diilustrasikan pada implant Bagian X, implan yang dibuat khusus (atau pasien - spesifik) dari bahan Ti - 6Al - 4V yang sama seperti pada Gambar 1b dapat memperoleh manfaat dari kekasaran permukaan dengan mendorong pertumbuhan sel tulang. Di sisi lain, SLM biasanya menyediakan permukaan yang lebih baik dan, untuk fabrikasi produk yang penting, dapat menjadi strategi pembuatan aditif pilihan. Implisit pada Gambar 1 adalah fakta bahwa modifikasi pada model CAD untuk memproduksi varians bagian mudah digabungkan dalam file STL, dan tidak diperlukan pengoptimalan perkakas atau pengoptimalan baru. Namun harus diingatkan, bahwa meskipun manufaktur aditif berbasis serbuk menghasilkan keuntungan dalam pengurangan limbah yang signifikan, biaya prekursor bubuk seringkali secara signifikan lebih besar daripada bobot prekursor yang setara dengan bentuk stok atau billet konvensional, dan ketersediaan serbuk menjadi pertimbangan penting. Volume pembuatan yang terbatas pada sistem SLM dan EBM juga menimbulkan keterbatasan dalam fabrikasi bagian khusus serta kustomisasi massal komponen kecil sekalipun, walaupun seperti yang telah dicatat sebelumnya, komponen implan tulang dan gigi lainnya telah dan terus diproduksi oleh EBM. Seperti disebutkan di atas, rancangan spesifik pasien dapat disisipkan sebagai modifikasi CAD yang tidak memerlukan perkakas atau pengoptimalan perkakas. Keuntungan lain dari teknologi manufaktur aditif, seperti yang digambarkan di sepanjang bab ini, dan bab-bab sebelumnya, telah menjadi kemampuan untuk membuat monolit rumit dan monolit kompleks; bahkan susunan bagian yang bergerak seperti yang digambarkan pada monolit FDM -produksi pada Gambar. 2 dan 3. Pembuatan struktur saluran internal yang rumit untuk aliran udara dan fluida dalam sistem pertukaran panas dari berbagai aplikasi membentuk aplikasi teknologi aditif lainnya yang memungkinkan, khususnya fabrikasi SLM atau EBM. Salah satu contoh yang menonjol melibatkan pisau turbin dan pembuatan komponen, yang terus meningkat dalam volume dan efisiensi manufaktur di seluruh dunia. Aspek fabrikasi pisau turbin dalam konteks desain dan pengembangan material di Bab "Contoh Struktur Kristal Langsung: Aplikasi Komponen Turbin Gas di Superalloy" telah ditangani. Komponen turbin, dan terutama operasi pisau suhu tinggi (Gambar 2 dari bab "Contoh Struktur Kristal Directional: Aplikasi Komponen Turbin Gas di Superalloy") agak dibatasi oleh logam dan paduan suhu tinggi, khususnya titik lebur dan tinggi oksidasi suhu (atau korosi) yang membatasi operasi dan kemampuan untuk mendorong efisiensi operasional pada suhu yang terus meningkat. Salah satu strategi dalam memperluas pengoperasian superalloy nikel-base dan Co-base
775
Gambar 1 Kursi struktural pesawat Ti-6Al-4V sederhana yang dibuat oleh EBM. (a)
model STL (CAD). (b) komponen fabrikasi EBM. Volume persegi panjang bertitik
di (a) mewakili bentuk bahan baku minimum untuk produksi konvensional bagian
tersebut
776
Gambar 2 Produk komponen gear multi gerakan yang dibuat oleh FDM. Bagian
dengan bahan bangunan (ABS polymer) dan support (waterworks) ada di sebelah
kiri. Gambar kanan menunjukkan bagian kerja dengan bahan pendukung dihapus
(Courtesy of Frank Medina, W.M. Keck Center for 3D Innovation, University of
Texas di El Paso)
Gambar 3 Struktur pendingin blade turbin internal. (a) Sketsa konseptual umum. (b)
Model struktur pendingin yang kompleks yang diadaptasi dari paten 2010 oleh G.
Liang (2010)
777
khususnya telah mencari penambahan unsur untuk meningkatkan kekuatan suhu tinggi dan menekan ruptur creep atau meningkatkan umur creep rupture mereka (Moffura et al
2012; lihat Gambar 3, 5, dan 8 dari bab "Contoh Directional Crystal Structures: Aplikasi
Komponen Turbin Gas di Superalloy "). Strategi lain untuk memperluas kinerja suhu
tinggi dari bilah turbin superalloy suhu tinggi yang lebih tradisional melibatkan struktur
pendingin yang lebih efisien, terutama struktur internal. Strategi pengecoran
konvensional tidak dapat memperpanjang kompleksitas saluran pendingin seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 4. Namun, kompleksitas mata angin turbin kecil mudah
dilakukan dengan fabrikasi SLM atau EBM, asalkan prekursor bubuk pra-paduan tersedia. Selain itu, produk pisau turbin yang diproduksi secara aditif akan diperlukan
untuk menandingi mikrostruktur yang kompleks, seperti optimasi presipitasi, yang
merupakan masalah kinerja material yang diperlukan untuk bilah turbin kontemporer.
Murr dkk. (2013) baru-baru ini menunjukkan bahwa pembuatan EBL dari komposisi
superalloy Ni-base kontemporer dapat menghasilkan mikrostruktur kinerja yang
optimal, yang hampir menghilangkan perlakuan panas pascaproduksi yang rumit.
Gambar 18 dari bab "Contoh Struktur Kristal Langsung: Aplikasi Komponen Turbin
nanopartikel) serta ukuran saluran matriks di sekitarnya (Gambar 9 bab "Contoh
Struktur Kristal Langsung: Turbin Gas Component Applications in Superalloy ") untuk
prototipe superalloy Ni-base yang dibuat oleh EBM. Gambar 6b bab "Cacat Volume:
Ketidaksempurnaan 3D pada Kristal" telah menggambarkan rincian struktur mikro ini
dengan analisis TEM.
Gambar 4 Skema diagram proses LENS. Pengiriman serbuk terjadi dari nosel tirus
berbentuk silinder seperti yang mengelilingi sinar laser yang dipusatkan. Prosesnya
sering disebut dengan laser spraying
778
Ada banyak proses pembuatan aditif lainnya untuk logam. Ini termasuk Laser
Engineering Net Shaping (LENS) yang menggabungkan sinar laser untuk mencairkan
bubuk yang ditiup pada permukaan dengan menggunakan konfigurasi yang ditunjukkan
secara skematis pada Gambar 4. Teknik ini sering digunakan untuk mengganti atau
menambah permukaan yang tererosi dan pada dasarnya "mencetak" permukaan baru atau permukaan pengganti. Dalam beberapa hal, teknologi ini adalah modifikasi dari
teknologi penggantian laci atau penggulungan yang lebih tradisional yang telah
digunakan sejak pertengahan abad ke-20 untuk membangun permukaan yang tererosi
pada komponen besar seperti impeller besar di mesin pengerukan dan sejenisnya.
Sebaliknya, SLM mampu membuat geometri jauh lebih banyak dari pada LENS.
Laminated Object Manufacturing (LOM) dan Ultrasonic Consolidation (UC)
adalah teknologi pembuatan lapisan yang memanfaatkan lembaran material dari
berbagai dimensi, bukan bubuk prekursor untuk membuat produk atau komponen. LOM
(Jacobs 1992; Gibson et al., 2010; Park et al., 2000) menggunakan kertas perekat atau
lembaran sebagai unit pembuatan dasar yang ditekan panas atau digulung. Proses UC
menggunakan lembaran logam atau paduan dimana ikatan lembaran dicirikan secara
mikrostruktur oleh migrasi mikrograin, atau pencampuran mekanis dari butir rekristalisasi dengan aliran solidstat yang akan dijelaskan lebih rinci pada Bagian XIII.
LOM adalah teknologi cetak 3D yang kurang dikenal dengan beberapa
kesamaan dengan lembaran bergulir dalam proses litograf, namun menggunakan
pemotongan laser untuk menentukan bentuk bangunan seperti yang digambarkan secara
skematis pada Gambar 5. Prosesnya bisa membuat bagian besar relatif murah. Seperti
yang diilustrasikan pada Gambar 5, selembar bahan laminasi diumpankan dari gulungan
Gambar 5 Skema proses pembuatan bahan laminated (LOM)
779
ke pembuatan platform dimana dilelehkan dengan roller yang dipanaskan ke substrat.
Jejak laser keluar dari garis besar lapisan dan bahan berlebih dimatikan saat mengambil
gulungan. Platform bergerak turun dan material segar digulung di atasnya, mengulangi
fabrikasi lapis demi lapis. Proses ini dapat bekerja dengan lembaran kertas atau kertas
prekursor, serta bahan lembaran logam polimer atau tipis. Produk atau model kertas perekat yang dibuat oleh LOM dapat memiliki karakteristik seperti kayu dan biasanya
disegel setelah fabrikasi untuk menghambat penyerapan air. Pembuatan lembaran logam
hanya ditunjukkan dengan logam leleh yang relatif rendah seperti aluminium dan
beberapa paduan aluminium. Karakteristik fabrikasi lapisan pengolahan UC
menggunakan energi ultrasonik untuk menciptakan ikatan dangkal antara pelat logam
atau pelat dengan aliran solid-state dari butir rekristalisasi seperti yang dicatat. Gambar
6 mengilustrasikan komposit UC yang dibuat dari jadwal laminasi logam berbeda (Janaki et al 2007; Obielodan et al., 2010).
780
Potensi teknologi LOM dan UC belum sepenuhnya dieksploitasi. Aplikasi ultrasonik
terbaru yang terkait dengan proses pencetakan aditif atau 3D melibatkan penyisipan
kabel kabel ultrasonik yang menghubungkan komponen pada perangkat elektronik
tertanam (Espalin et al., 2014). Kabel tembaga tertanam yang memiliki diameter rata-ak, terutama
dalam hal tahan uji.
Jelas bahwa pencetakan 3D dan teknologi yang lebih umum yang mewakili
manufaktur lapisan tambahan dapat membentuk beragam sistem manufaktur hibrida,
bahkan mengintegrasikan aspek manufaktur subtraktif yang lebih tradisional dengan
varietas teknologi manufaktur aditif yang luas. Mungkin juga diapresiasi bahwa sistem
manufaktur aditif dapat digunakan dalam konsep yang melibatkan pabrik bergerak,
membuat suku cadang pengganti atau satu jenis komponen di lokasi terpencil atau di lokasi nontradisional, bahkan "mal manufaktur" dengan printer 3D atau variasi yang
menghasilkan struktur baru. , spesifik pelanggan, atau dalam konteks medis, produk
spesifik pasien. Bahkan memproduksi produk baru dengan objek pemindaian digital
dapat direplikasi dan dimodifikasi secara selektif dalam file data CAD untuk membuat
replika yang tepat atau salinan yang dimodifikasi dengan tepat.
CAD cetak 3D telah disebut sebagai "Pabrik Desktop" (Binns 2007) dan baru-
baru ini sebagai "Pabrik di Kelas" (Lipson dan Kurman 2013) sebagai indikasi
pervasiveness teknologi ini. Konsep manufaktur modular juga dapat mengintegrasikan pencetakan 3D atau teknologi manufaktur aditif terkait dengan strategi pengikatan atau
penggabungan seperti pengelasan gesekan atau pengelasan friksi dan pengolahan yang
akan dijelaskan pada Bagian XIII. Pabrik manufaktur modular yang menggunakan
sistem EBM atau SLM, mesin multiaxis CNC untuk pemecahan produk bersamaan
dengan sistem pengelasan gesekan aduk (FSW) untuk penggabungan baru, dan area
penyiapan definisi tinggi, seperti electroplating atau electroetching terlampir, dapat
menempati area seluas 2.500 ft, termasuk workstation CAD. Karakteristik semua pencetakan 3D dan pemrosesan AM, modul manufaktur ini akan hemat energi, efisien
Gambar 6. Pengikatan ultrasonik produk prototipe laminasi multi-logam. Lima
susunan ikatan berbeda diperlihatkan. Al * menunjukkan paduan aluminium 6061
781
material, dan hemat lingkungan, mampu menghasilkan banyak produk atau produk satu
jenis, termasuk perkakas unik seperti cetakan khusus atau injeksi. komponen cetakan
dan struktur proses. Semua ini akan menghasilkan ratusan ribu usaha manufaktur kecil
dan menengah, bahan baru dan aplikasi bahan, konsep robot dan perangkat lunak yang
lebih murah, kelimpahan printer 3D dan sistem manufaktur aditif, dan layanan online khusus pelanggan baru.
Referensi
Binns C (2007) The desktop factory in Popular Sci. Bonnier, New York, pp 42 44Espalin D, Muse DW, Medina F, MacDonald E, Wicker RB (2014) 3D printed electronics for rapidly deployable satellite applications. Int J Adv Manuf Technol 72(5 8):963 978
Gibson I, Rosen DW, Stucker B (2010) Additive manufacturing technologies: Rapid prototyping to digital manufacturing. Springer, New York
Jacobs PF (1992) Rapid prototyping and manufacturing. Soc Manuf Engrs, Dearborn, MI Janaki Ram GD, Robinson C, Yang Y, Stucker B (2007) Use of ultrasonic consolidation for fabrication of multi-material structures. Rapid Prototyp J 13:226235
atent no 07785072, issue date 31 Aug 2010 Lipson H, Kurman M (2013) Fabricated: the new world of 3D printing. Wiley, New York
782
Referensi
Moffura A, Finnis MW, Reed C (2012) On the possibility of rhenium clustering in nickel-based superalloys. Acta Mater 60:2866 2872
Murr LE, Martinez E, Pan XM, Gaytan SM, Castro JA, Terrazas CA, Medina F, Wicker RB, Abbott DH (2013) Microstructures of Rene 142 nickel-base superalloy fabricated by electron beam melting. Acta Mater 61:4289 4296
Obielodan JO, Ceylan A, Murr LE, Stucker B (2010) Multi-material bonding in ultrasonic consolidation. Rapid Prototyp J 16(3):180 188
Park J, Tari MJ, Hahn HT (2000) Characterization of the laminated object manufacturing (LOM) process. Rapid Prototyp J 61(1):36 50