fbpx

Druk 4D kolejnym krokiem w przyszłość – materiały zmieniające kształt w czasie

W czasach, gdy druk 3D jest techniką obecną w niemalże każdym laboratorium naukowym oraz w działach B+R, nadszedł moment na podniesienie poprzeczki. Obecnie naukowcy na całym świecie pracują nad opracowaniem materiałów zdolnych do zmiany kształtu w czasie. Grupa badawcza z Politechniki Wrocławskiej podniosła rękawicę rzuconą przez ograniczenia dzisiejszej nauki – dzięki nim powstały obiekty 3D wykonane z materiałów programowalnych, które pod wpływem odpowiednich bodźców przełamują ograniczenia trzech wymiarów.

Transformacja struktury kompozytu hydrożelowego wydrukowanego w 4D
Zdjęcie 1. Transformacja struktury kompozytu hydrożelowego wydrukowanego w technologii 4D
Źródło: Wyss Institute at Harvard University
Druk 3D zrewolucjonizował techniki produkcyjne pozwalając na tworzenie złożonych, wielomateriałowych i wielofunkcyjnych struktur o różnorodnej geometrii w jednym procesie produkcyjnym. Drukarki 3D znajdują obecnie szerokie zastosowanie w biomedycynie, inżynierii tkankowej, robotyce, a także bioelektronice. Natomiast druk 4D łączy zalety technologii druku 3D z nowymi materiałami wyróżniającymi się tzw. pamięcią kształtu (shape memory materials – SMM). Takie materiały mogą zmieniać konfiguracje przestrzenne w czasie w zależności od bodźców zewnętrznych np. temperatury, pola elektrycznego, wilgoci czy światła. Na szczególną uwagę zasługują hydrożele z pamięcią kształtu, które ze względu na biokompatybilność i podobieństwo do macierzy zewnątrzkomórkowej [1] mogą znaleźć szerokie zastosowania aplikacyjne.
Struktura 3D, która składa się w rurkę w 6°C i rozwija w 45°C
Zdjęcie 2. Struktura 3D, która składa się w rurkę w 6°C i rozwija w 45°C
Źródło: Wiley Online Library
Poli-N-izopropyloakryloamid (PNIPAAm) jest niecytotoksycznym [2], wrażliwym na bodźce polimerem wykazującym właściwości transformacji kształtu zależne od temperatury. Jednak do tej pory praktyczne zastosowanie tego polimeru było utrudnione ze względu na znaczną kruchość materiału. Rozwiązaniem problemu okazała się mieszanka polimeru i składników odpowiadających za stabilność mechaniczną. Tusz 4D na bazie poli-N-izopropyloakryloamidu, laponitu [3] oraz alginianu [4] umożliwia bezpośredni druk zależnych od temperatury struktur 4D. Wykorzystując druk 3D naukowcom z Uniwersytetu Wrocławskiego udało się stworzyć hydrożelowe konstrukty w kształcie pustych rurek. Druk 3D umożliwia wprowadzenie do hydrożelu niejednorodności strukturalnych, dzięki którym możliwe jest samoczynne odkształcenie materiału. Pod wpływem obniżenia temperatury hydrożele zmieniają kształt z drukowanych na szalkach dysków o strukturze plastra miodu do konstrukcji rurowych. W zależności od składu, hydrożelowe dyski można zaprogramować tak, aby wykazywały różne zachowania względem różnych temperatur. Co następuje: woda o temperaturze 12°C pozwala na zwinięcie pojedynczego arkusza w rurowatą konstrukcję, natomiast woda o temperaturze 42°C umożliwia początkowe rozwinięcie rurki, a następnie jej wygięcie w przeciwnym kierunku.
Zmiana kształtu struktury 3D w czasie
Zdjęcie 3. Zmiana kształtu struktury 3D w czasie
Źródło: Wiley Online Library

Drukowanie na bazie hydrożeli trójwymiarowych płaskich struktur, które samoczynnie zwijają się w konstrukcje rurowe, wydaje się być obiecującą metodą tworzenia powtarzalnych konstruktów. Takie hydrożelowe konstrukty można wykorzystać do badań jako rusztowania komórkowe jak również jako systemy transportu molekularnego (cząsteczkowego). Samoorganizujący się ruch pozwala również na opracowanie siłowników termicznych o szerokich zastosowaniach np. w robotyce czy implantologii aktywnej, natomiast samoczynne zwijanie się płaskich hydrożeli może wzbudzić szczególne zainteresowanie wśród inżynierów biomedycznych.

[1] mieszanina wytwarzana przez komórki i wypełniająca przestrzeń między nimi

[2] nietoksyczny względem komórek w danym organizmie

[3] materiał z syntetycznej gliny

[4] organiczny związek chemiczny

Autor: Barbara Zarzecka

Źródło: DOI: 10.1002/adfm.202009664