材料

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员开发了首个3D可打印的“瓶刷”弹性体

研究人员来自加利福尼亚州大学圣巴巴拉(UC Santa Barbara)开发了一种3D可打印的“瓶装”弹性体,具有类似于人体组织的柔软性和弹性。

博士后研究人员袁轩谢和桑约穆克赫偶发出现在新的弹性体上,同时试图为不同的项目开发一种材料。在观察其超级柔软和形状的性质之后,它们意识到它们可以使用直接墨水写入(DIW)进行3D打印弹性体以通过施加UV光将弹性体返回其固体形式之前。

根据谢和慕克吉的说法,能够3D打印瓶刷弹性体,可以利用其独特的机械性能应用于仿生组织和高灵敏度电子设备,如触摸板、传感器和驱动器,这些都需要对物体的尺寸进行密切控制。

UC Santa Barbara和实验室领导者的助理教授Christopher Bates表示:

“当我们看到这种真正定义的压力时,它会集中在每个人都突然发现,我们可以3D打印它,这将是酷的,因为我们都没有我们所知的3D可打印材料具有这种超级软性。”

瓶刷弹性体的独特性

瓶装聚合物已经存在超过二十多年,与其结构的结果不同于常规弹性体或橡胶。虽然常规弹性体与许多生物组织更硬,但由于由长而缠绕的线性分子组成,吹瓶物聚合物具有附着在其线性骨架上附着的附加聚合物。这种结构看起来类似于厨房里可以在厨房里找到的瓶子,因此名称,并且使聚合物形成极其柔软的弹性体。

据研究人员所知,尽管瓶子刷的聚合物已经存在多年,但之前从未进行过3D打印,这使得加州大学圣巴巴拉分校的新材料更加独特。

“该领域在过去十年中爆炸了合成化学的进步,提供了对这些独特分子的大小和形状的精致控制,”持续的贝茨。“这些超软弹性体可能适用于植入物。如果植入物匹配天然组织的机械性能,则可以通过身体减少身体的炎症和排斥。“

先前已经利用了柔软柔性的聚合物在3D印刷植入物的发展中,这是一个示例是生产的软神经植入物由研究人员at.麻省理工学院(MIT)符合大脑的轮廓,以长时间监测活动。使用3D印刷的柔性聚合物电子器件可能提供对现有的基于金属植入物的更柔软,更安全和更快的替代品。

在其他地方,软材料和电子技术也被结合起来开发出了一个3D印刷原型神经植入物有潜力治疗神经系统损伤,如瘫痪,并在创造3 d印制的生物传感器为了无线监测血流。基于软聚合物的3D印刷材料也用于牙科部门的生产明确对准,灵活的假牙,和冠。

今年9月,一些研究人员利用3D打印技术取得了医学突破,尤其是谢菲尔德大学的研究人员打印了一个神经植入物(如图)。照片由谢菲尔德大学提供。
神经界面可能导致下一代医疗治疗神经系统问题的患者。通过谢菲尔德.C.uk的图像。

3D打印瓶刷弹性体

初始发现围绕纳米长度刻度的瓶装聚合物的自组装。作为屈服应激流体分类,该材料开始作为半软固体,其具有其形状,类似于黄油,但是一旦施加足够的压力就液化。这意味着研究人员可以通过DIW 3D打印过程打印油墨形式的材料。

由于材料能够保持其形状的时间,可以调谐到各种压力下的流动,例如当存在振动时,以适应所需的加工条件而不影响印刷部分的结构稳定性。一旦印刷了物体,研究人员将其暴露于UV光以激活油墨配方内的交联剂。这些交联剂将吹瓶器聚合物连接以形成变得永久性固体的超软弹性体,这意味着它在压力下不再液化。

谢解释:“我们从不交联的长聚合物开始。这允许它们像流体一样流动。但是,在闪光灯上闪耀着它们之后,聚合物链之间的小分子反应并将其连接在一起,因此您具有固体,弹性体,当拉伸时,将返回其原始形状。“

材料的柔软度是根据它的模量来衡量的——本质上,就是它被拉伸的容易程度——对于大多数弹性体来说,这可以与橡皮筋相比。谢和慕克吉的材料的模量比橡皮筋的模量小1000倍,这意味着它非常柔软和有弹性。事实上,bottlebrush的弹性体可以被拉伸到其长度的3到4倍。

从左至右:未连接的聚合物油墨,红外线被用来激活交联,最终的产品是超软,超弹性的交联弹性体。
从左至右:未连接的聚合物油墨,红外线被用来激活交联,最终的产品是超软,超弹性的交联弹性体。图片来自Isabelle Chabinyc/UC圣巴巴拉。

一个“纯”聚合物

使研究人员材料独特的另一个因素是它不含水或其他溶剂,以便使其成为人为更柔软。常规聚合物依赖于含有适量的水以保持其结构,但是瓶子刷弹性体是固体,因此其形式不会改变。

“人们经常添加溶剂以液化液体,使其可以被挤出喷嘴,”谢补充道。“但如果添加溶剂,则在印刷后必须蒸发,导致物体改变其形状或裂缝。”

研究人员认为,无溶剂制造工艺特别有利,可以使印刷过程尽可能清洁和容易。所得物质“感觉非常像人体组织”,并在仿生组织和高灵敏度电子中具有各种潜在的应用。

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特色图片显示从左侧:未链接的聚合物油墨,施用红外光以激活交联,并最终产品 - 超软,超弹性交联弹性体。图片来自Isabelle Chabinyc/UC圣巴巴拉。