Ein Team von Materialwissenschaftlern der University of Virginia School of Engineering hat ein weiches Material entwickelt, von dem erwartet wird, dass es eine neue Behandlung bietet, um schwere oder dauerhafte Schäden an den Stimmbändern zu ersetzen. Ihr neues weiches Material, genannt Elastomer, hat eine starke Dehnbarkeit, ist 10,000-mal weicher als herkömmliches Gummi und entspricht den mechanischen Eigenschaften der Stimmbänder. Elastomere können für die medizinische Versorgung 3D-gedruckt werden.

Neues Polymer, neue Strategie

Das Team entwickelte eine neuartige Strategie, um dieses 3D-druckbare weiche Elastomer herzustellen. Sie verwendeten ein neuartiges Polymer, das eine ähnliche Struktur wie eine Flaschenwaschbürste hat und zur Reinigung kleiner Glaswaren verwendet werden kann, jedoch im molekularen Maßstab. Dieses Polymer, ähnlich einer Flaschenbürste, kann, wenn es zu einem Netzwerk verbunden wird, das Material sehr weich machen und biologisches Gewebe imitieren.

Cai Liheng, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und -technik sowie Chemieingenieurwesen, betreute die Forschung. Cai erhielt außerdem eine freundliche Ernennung in Biomedizintechnik und leitete das SOFT BIOMATTER-Labor von UVA. Das Labor von Cai widmet sich dem Verständnis und der Kontrolle der Interaktion zwischen aktiven weichen Materialien (wie reaktionsfähigen Polymeren oder Biogelen) und lebenden Systemen (wie Bakterien oder Zellen und Geweben im menschlichen Körper).

Cai und sein Team haben eine neue Methode entwickelt, die starke (aber temperaturabhängige reversible) Assoziationen nutzen kann, um flaschenähnliche Bürstenpolymere zu Kautschuk zu vernetzen. Die Idee ist, mittels chemischer Synthese ein glasartiges Polymer an den Enden eines zahnbürstenartigen Polymers zu befestigen. Dieses glasige Polymer organisiert sich spontan selbst, um nanoskalige Kugeln zu bilden, die denen von Plastikwasserflaschen gleichen. Sie sind bei Raumtemperatur starr, schmelzen jedoch bei hohen Temperaturen; Dies kann für den 3D-Druck von weichen Strukturen verwendet werden.

Einstellbare Elastizität und hohe Dehnbarkeit

Die Elastizität ihrer Materialien kann zwischen etwa 100 bis 10,000 Pascal innerhalb des Druckbereichs, dem das Material standhalten kann, fein abgestimmt werden. Die untere Grenze liegt bei etwa 100 Pascal, was 1 Million Mal weicher ist als Kunststoff und 10,000 Mal weicher als herkömmliche 3D-druckbare Elastomere. Außerdem können sie auf 600% gedehnt werden.

Ihre extreme Weichheit, Elastizität und thermische Stabilität künden von zukünftigen Anwendungen, sagte Cai.

Cai glaubt, dass Shifeng Nian, ein Postdoktorand, eine chemische Methode zur Synthese von Flaschenbürstenpolymeren mit genau kontrollierten Strukturen entwickelt hat, um die Flexibilität und Dehnbarkeit von Elastomeren zu spezifizieren. Elastomere können als Tinte in 3D-Druckern verwendet werden, um geometrische Formen in Gummiqualität zu erzeugen.

Der 3D-Drucker selbst ist etwa so groß wie ein Kühlschrank in einem Wohnheim. Zhu hat die Düse für das Extrudersystem maßgefertigt, die unter Anleitung eines auf das gewünschte Objekt spezifischen Computerprogramms eine vorgegebene Materialmenge in einen 3D-Raum versprüht.

Die Forschungsgruppe von Dr. Cai gab mir die Möglichkeit, meine Forschung von der klassischen Chemie auf die Materialentwicklung auszudehnen; wir erfinden viele coole materialien mit besonderen mechanischen, elektrischen und optischen eigenschaften.

Selbstorganisierende und zusammengestellte Materialien

Das Coole an dem weichen Material des Teams ist, dass es sich bei jedem Tropfen selbst organisieren und zusammenbauen kann. Als das Material auf Silikonbasis zum ersten Mal in die Kartusche geladen wurde, hatte es die Konsistenz von Honig, halbfest und halbflüssig. Während des Druckvorgangs verbindet das Lösungsmittel die Schichten und verdunstet dann, um das Objekt nahtlos aufzubauen. Wenn Sie Fehler machen, können Sie es außerdem neu erstellen, da das Material zu 100% nachbearbeitbar und recycelbar ist.

Herkömmliche 3D-druckbare Elastomere sind von Natur aus starr; der Druckprozess erfordert oft externe mechanische Unterstützung oder Nachbearbeitung. Cai sagte, hier zeigen wir die Eignung unserer Elastomere als Tinten für den Direktdruck von 3D-Strukturen. .

Um die Verbindung von Materialmolekülen zu untersuchen, arbeitete Cais Team mit den Beamline-Wissenschaftlern Guillaume Freychet und Mikhail Zhernenkov vom Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums zusammen. Sie nutzten die Präzisions-Röntgenwerkzeuge von NATIONAL SYNCHROTRON LIGHT SOURCE II (insbesondere die Beamline der weichen Materialschnittstelle), um Experimente durchzuführen, um die innere Zusammensetzung des gedruckten Materials aufzudecken, ohne die Probe zu beschädigen.

Die SMI-Beamline ist für diese Art von Forschung aufgrund ihrer hohen Röntgenstrahlintensität, ihrer ausgezeichneten Durchstimmbarkeit der Energie- und Impulsübertragung und des sehr geringen Hintergrunds sehr geeignet. In Zusammenarbeit mit Cais Team konnten wir sehen, wie Polymere wie Flaschenbürsten ein Vernetzungsnetzwerk aufbauen, sagte Zhernenkov.

Elastomere in der Praxis

Cai schätzt, dass das Team noch zwei bis drei Jahre davon entfernt ist, seine Elastomere tatsächlich zu verwenden, und die 3D-Druckmethode des Teams hat das Tempo beschleunigt. Der 3D-Druck wird manchmal auch als additive Fertigung bezeichnet und ist die Forschungsstärke des UVA Department of Materials Science and Engineering; Forscher auf diesem Gebiet versuchen, bei der Entwicklung neuer Materialsysteme die physikalischen Prinzipien des additiven Fertigungsverfahrens zu verstehen. Die Verbesserung der Gesundheit ist nur eine der treibenden Kräfte ihrer Forschung.

Wir glauben, dass unsere Ergebnisse die Entwicklung neuer weicher Materialien wie 3D-Druckfarben anregen werden, die die Grundlage für eine breite Palette adaptiver Geräte und Strukturen wie Sensoren, dehnbare Elektronik und weiche Roboter werden können, sagte Cai.

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