La Xolografía, una nueva generación en la (bio)impresión 3D

Andrés Julián Arias-Moreno
Profesor Tiempo Completo
Departamento de Bioingeniería

La xolografía es una técnica de (bio)impresión que promete revolucionar lo que hasta ahora se logra con la manufactura aditiva tradicional.

La impresión 3D volumétrica es una técnica en la cual un haz de luz incide sobre puntos específicos dentro de un volumen de resina fotosensible para activar su proceso de polimerización y así hacer que estos puntos solidifiquen y se fusionen, generando de esta forma estructuras tridimensionales que conforman el objeto final manufacturado. Dicha técnica también se conoce como litografía axial computarizada (CAL) u holografía.

Su principio de funcionamiento se inspira a partir de las exploraciones que hacen los escáneres tomográficos, donde desde diferentes puntos de vista se emiten haces de rayos X que al intersectarse, y posteriormente procesarse, permiten reconstruir la arquitectura tridimensional del objeto/volumen de interés escaneado en un modelo tridimensional. Al realizar este proceso a la inversa, se parte de un modelo tridimensional digital al que se le aplican planos de corte espaciales intersectados que se convierten en holos o proyecciones, y que son aprovechados como láminas opacas para, a traves de estas, proyectar haces de luz sobre la resina fotosensible, generando la impresión del modelo.

Aunque esta técnica tiene un nivel de resolución aceptable y genera estructuras mecánicamente más homogeneas y con mejor acabado al disminuir la anisotrópia y las marcas generadas por la deposición del material en forma de capas, tiene la limitación de no controlar completamente la geometría de acabado, la resolución y la propiedad mecánica del modelo impreso, debido al hecho de que un mismo punto de la resina y sus alrededores pueden exponerse a más de una exposición lumínica, generando volumenes con niveles heterogéneos de polimerización.

Como una técnica de nueva generación que elimina estas limitaciones, la compañía Xolo® (Berlín, Alemania) creó la Xolografía, una técnica mejorada de la impresión volumétrica tridimensional, en la cual no solo uno, sino dos haces de luz son los encargados de activar el proceso de polimerización de la resina fotosensible y consolidar o no la solidificación de esta. El factor clave de la xolografía se origina en la naturaleza de la resina y en la manera en que esta es fotocurada. La resina posee un activador fotosensible que controla el proceso de sinterización y que requiere la superposición de dos haces de luz (con dos longitudes de onda diferentes) para consolidar su proceso de fotopolimerización y solidificación en el punto (voxel) donde los haces de luz se intersectan. Si un punto (o voxel) de la resina recibe solo un
haz de luz, su fotoiniciador no se activara y esta resina permanecerá en estado líquido.

En la xolografía, la resina con la que se construirá el modelo a imprimir se ubica en un pequeño recipiente transparente, a su vez ubicado en una base móvil con desplazamiento horizontal (figura 1). A través de este recipiente (y de la resina en su interior) se proyecta un primer haz de luz, con longitud de onda λ 1 , formando un plano espacial sobre el que se proyectará un segundo haz de luz, con longitud de onda λ 2 , en dirección ortogonal al plano de luz creado por el primer haz. Unicamente la resina localizada en aquellos puntos (voxeles) donde se superponen los dos haces de luz aplicados (λ 1 + λ 2 ) se curará y solidificará (figura 1).

Figure 1. Diagrama general del principio de funcionamiento de la xolografía. Dos haces de luz se intersectan para fotocurar la
resina contenida en un recipiente. Adaptado de [1].

Los modelos impresos con esta técnica alcanzan excelente acabado, resolución (hasta 25 µm), funcionalidad y estabilidad mecánica (figura 2).

Esta técnica recientemente desarrollada posee enormes ventajas respecto a las técnicas más tradicionales de (bio)impresión 3D, tales como el hecho de no imprimir acumulando capa sobre capa, eliminando las implicaciones que dicha forma de deposición de material conlleva (principalmente anisotropía, acabados irregulares o con marcas, y curado irregular).

Más aún, posee ventajas propias que la hacen una técnica superior para la bioimpresión, tales como: i) el hecho de trabajar con resinas cuyas propiedades son ampliamente ajustables a la necesidad del modelo requerido, logrando obtener modelos con propiedades mecánicas óptimas conforme a la demanda; ii) al trabajar con haces de luz, su velocidad de impresión es alta; iii) los planos espaciales de intersección pueden estar en cualquier orientación espacial, permitiendo la impresión de formas complejas con muy alta resolución, dado que esta técnica garantiza que cada voxel sinterizado de la resina será curado una única vez en cada proceso de impresión; iv) por su rapidez y escaso efecto invasivo, es una técnica muy apropiada para crear andamios con resinas cargadas de células, conservando la viabilidad celular; y, v) debido a la viscosidad de las resinas y la rapidez del proceso, puede imprimir estructuras internas y externas (tipo mecanismos independientes o dispositivos de microfluídos), incluso eliminando la necesidad de utilizar soportes en el modelo, donde otras técnicas usualmente lo requerirían.

Figure 2. Etapas del proceso de impresión por xolografía de diversos objetos: modelos 3D (a, d, g, j), fotografías de lo modelos impresos antes (b, e, h, k) y después (c, f, i, l) del post-procesado. Las figuras a-c corresponden a una jaula esférica de 8 mm de diámetro con una bola flotante libre en su interior. Las figuras d-f muestran una celda de flujo de 9 mm de ancho con ruedas rotatorias en su interior. Las figuras g-i enseñan una lente esférica de 9 mm para generación de líneas laser. finalmente, las figuras j-l ilustran un modelo anatómico de 30 mm de ancho obtenido de un banco de imágenes de tomografía axial computarizada. Imágenes tomadas de [1].

No obstante, la principal limitación de está técnica es la necesidad de utilizar resinas completamente transparentes que permitan el paso libre de los haces de luz.

En conclusión, la xolografía es una técnica de (bio)impresión de última generación con un gran
potencial para generar soluciones para la industria y la medicina.

Referencia:

[1] Regehly, M., Garmshausen, Y., Reuter, M. et al. Xolography for linear volumetric 3D
printing. Nature 588, 620–624 (2020).