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