Ny 3D-trykningsteknik producerer levende 4-D materialer

Reparation og genbrug af plast og levering af kræftmedicin mere effektivt er kun to af mange af de potentielle anvendelser, en ny 3-D/4-D-printteknologi kan have, takket være banebrydende arbejde i et forskningssamarbejde mellem UNSW Sydney og The University of Auckland.

Forskerne har afsløret den vellykkede sammenlægning af 3-D/4-D-udskrivning og fotokontrolleret/levende polymerisering-en kemisk proces til fremstilling af polymerer-i et papir udgivet i Angewandte Chemie International Edition på fredag.

4-D-udskrivning er en delmængde af 3D-udskrivning, hvor det udskrevne objekt kan omdanne sin form som reaktion på visse betingelser.

Den nye kontrollerede polymerisationsmetode, hvor forskerne brugte synligt lys til at skabe en miljøvenlig "levende" plast eller polymer, åbner en ny verden af ​​muligheder for fremstilling af avancerede solide materialer.

Polymerer kan være syntetiske, såsom plast, såvel som biologisk, for eksempel, DNA.

Forskningen bygger på UNSW Sydney Boyer Labs opdagelse af PET-RAFT-polymerisering fra 2014 (fotoinduceret elektron/energioverførsel-reversibel additionsfragmenteringskædeoverførselspolymerisering), en ny måde at lave kontrollerede polymerer ved hjælp af synligt lys, ved hjælp af den Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) polymerisationsteknik opdaget af CSIRO (Graeme Moad, San Thang og Enzo Rizzard).

Sådanne polymerer kan reaktiveres for yderligere vækst, i modsætning til traditionelle polymerer, der er "døde" efter fremstilling.

Siden denne udvikling, teknologien er udvidet og har vist sig nyttig til fremstilling af velkontrollerede molekyler til mange applikationer, herunder levering af lægemidler og andre biomaterialer.

Verdens første opdagelse

Hovedforfatter Cyrille Boyer sagde, at hans teams seneste gennembrud var en verdens første i udviklingen af ​​et nyt 3D-printsystem ved hjælp af PET-RAFT-polymerisering, for at gøre det let at ændre 3D-trykte materialer efter udskrivning.

"Kontrolleret polymerisering har aldrig været brugt i 3-D og 4-D udskrivning før, fordi hastighederne for typiske kontrollerede polymerisationsprocesser er for langsomme til 3-D/4-D-udskrivning, hvor reaktionen skal være hurtig for praktiske udskrivningshastigheder, "Sagde Boyer.

"Efter to års forskning og hundredvis af eksperimenter, vi udviklede en hurtig proces, der er kompatibel med 3D-udskrivning.

"I modsætning til konventionel 3D-udskrivning, vores nye metode til brug af synligt lys giver os mulighed for at styre polymerernes arkitektur og justere de mekaniske egenskaber af de materialer, der er fremstillet af vores proces.

"Denne nye proces giver os også adgang til 4-D-udskrivning og gør det muligt at transformere eller funktionalisere materialet, hvilket ikke tidligere var muligt. "

UNSW's Nathaniel Corrigan, co-first author med UNSW Ph.D. kandidat Zhiheng Zhang, sagde en bonusfordel ved deres nye system var muligheden for fint at kontrollere alle molekyler i 3D-trykt materiale.

"4-D-udskrivning er en delmængde af 3D-udskrivning. Men med 4-D-udskrivning, det 3D-trykte objekt kan ændre form og kemiske eller fysiske egenskaber og tilpasse sig dets omgivelser, "Sagde Dr. Corrigan.

"I vores arbejde, det 3D-trykte materiale kunne reversibelt ændre form, når det blev udsat for vand og derefter tørret.

"For eksempel, 3D-objektet starter som et fladt plan, og når det udsættes for visse forhold, det begynder at folde sig-det er et 4-D materiale. Så, den fjerde dimension er tid. "

Fra at reducere affald til biomedicinske anvendelser

Forskerne håber, at deres nye 3-D/4-D-trykproces ved hjælp af PET-RAFT-polymerisering vil føre til produktion af funktionelle materialer til at løse mange af de problemer, samfundet står over for i dag.

Prof Boyer sagde, at den nye metode havde et væld af applikationer til dagligdags genstande - især hvis et deformeret eller ødelagt objekt skulle repareres eller modificeres.

"Hovedapplikationen er naturligvis genbrug, fordi i stedet for at bruge en plastgenstand en gang, det kan repareres og genbruges, " han sagde.

"Til almindelig genbrug tager du materialerne væk og skal rekonstruere dem, men for det nye 'levende' materiale vil det være i stand til at reparere sig selv.

"For eksempel, hvis du vil lægge UNSW -logoet på et krus, du kan ændre objektets overflade og dyrke polymererne til at vise UNSW, fordi objektet ikke er dødt; det er et levende objekt og kan fortsætte med at vokse og ekspandere. "

Dr. Corrigan sagde, at en anden stor fordel ved den nye proces var dens kompatibilitet med biomedicin, fordi ekstreme forhold var unødvendige.

"Nuværende 3D-udskrivningsmetoder er typisk begrænset af de hårde betingelser, der kræves, såsom stærkt UV -lys og giftige kemikalier, som begrænser deres anvendelse til fremstilling af biomaterialer, " han sagde.

"Men med anvendelsen af ​​PET-RAFT-polymerisering til 3-D-udskrivning, vi kan producere lange polymermolekyler ved hjælp af synligt lys frem for varme, som er den typiske polymerisationsmetode.

"Brug af varme over 40 grader dræber celler, men til synlig lyspolymerisering kan vi bruge stuetemperatur, så cellernes levedygtighed er meget højere. "

Prof Boyer sagde, at objekter fremstillet gennem denne nye proces lettere kunne bruges i avancerede bioapplikationer, såsom vævsteknik, for eksempel, hvor en vævsstruktur bruges til at danne nyt, levedygtigt væv til medicinske formål.

"Vores nye metode er målrettet i lille skala, nicheapplikationer inden for områder som mikroelektronik og biomedicin - et stort område for os - der kræver meget avancerede polymerer, " han sagde.

3-D og 4-D udskrivning til alle

Prof Boyer sagde, at deres nye teknik ville give kommercielle og ikke-ekspertoperatører mulighed for at producere materialer med tilsyneladende endeløse egenskaber og applikationer.

"Vi ønsker at undersøge vores system for at finde og imødegå eventuelle begrænsninger for at muliggøre bedre optagelse og implementering af denne teknologi, " han sagde.

"Der er så meget, vi kan gøre ved at kombinere 3-D og 4-D udskrivning med kontrolleret polymerisering til at lave avancerede og funktionelle materialer til mange anvendelser til gavn for samfundet."