Nyt materiale giver blødt, elastiske genstande, der føles som menneskeligt væv

Forskere i Christopher Bates 'laboratorier, en assisterende professor i materialer ved UC Santa Barbara, og Michael Chabinyc, en professor i materialer og formand for afdelingen, er gået sammen om at udvikle den første 3-D-printbare "flaskebørste" elastomer. Det nye materiale resulterer i trykte genstande, der har usædvanlig blødhed og elasticitet - mekaniske egenskaber, der meget ligner menneskets væv.

Konventionelle elastomerer, dvs. gummi, er stivere end mange biologiske væv. Det skyldes størrelsen og formen af ​​deres polymerer, som er lange, lineære molekyler, der let vikler sig ind som kogt spaghetti. I modsætning, flaskebørstepolymerer har yderligere polymerer fastgjort til den lineære rygrad, fører til en struktur, der ligner en flaskebørste, du måske finder i dit køkken. Flaskebørstens polymerstruktur giver evnen til at danne ekstremt bløde elastomerer.

Evnen til at 3-D-printe flaskebørstelastomerer gør det muligt at udnytte disse unikke mekaniske egenskaber i applikationer, der kræver omhyggelig kontrol over dimensionerne af objekter lige fra biomimetisk væv til højfølsomme elektroniske enheder, såsom touchpads, sensorer og aktuatorer.

To postdoktorale forskere - Renxuan Xie og Sanjoy Mukherjee - spillede nøgleroller i udviklingen af ​​det nye materiale. Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt.

Xies og Mukherjees vigtigste opdagelse indebærer selvsamling af flaskebørstepolymerer i nanometerlængden, som forårsager en fast-til-væske-overgang som reaktion på påført tryk. Dette materiale er kategoriseret som en flydespændingsvæske, hvilket betyder, at det begynder som et halvblødt fast stof, der holder sin form, som smør eller tandpasta, men når der påføres tilstrækkeligt tryk, det bliver flydende og kan presses gennem en sprøjte. Holdet udnytter denne egenskab til at skabe blæk i en 3-D-printproces kaldet direkte blækskrivning (DIW).

Forskerne kan indstille materialet til at flyde under forskellige mængder tryk for at matche de ønskede behandlingsbetingelser. "For eksempel, måske vil du have polymeren til at holde sin form under et andet stressniveau, som når der er vibrationer, " siger Xie. "Vores materiale kan holde sin form i timevis. Det er vigtigt, fordi hvis materialet hænger under udskrivning, den trykte del vil have dårlig strukturel stabilitet. "

Når objektet er udskrevet, UV-lys skinner på det for at aktivere tværbindere, som Mukherjee syntetiserede og inkluderede som en del af blækformuleringen. Tværbinderne kan forbinde nærliggende flaskebørstepolymerer, hvilket resulterer i en superblød elastomer. På det tidspunkt, materialet bliver et permanent fast stof – det bliver ikke længere flydende under tryk – og udviser ekstraordinære egenskaber.

"Vi starter med lange polymerer, der ikke er tværbundne, " sagde Xie. "Det giver dem mulighed for at flyde som en væske. Men, efter du har lyst lyset på dem, de små molekyler mellem polymerkæderne reagerer og bindes sammen til et netværk, så du har en solid, en elastomer, der når strakt, vil vende tilbage til sin oprindelige form."

Et materiales blødhed måles i forhold til dets modulus, og for de fleste elastomerer, det er ret højt, hvilket betyder, at deres stivhed og elasticitet svarer til en gummibånds. "Modulet af vores materiale er tusind gange mindre end et gummibånd, ", bemærker Xie. "Det er superblødt - det føles meget som menneskeligt væv - og meget strækbart. Den kan strække sig omkring tre til fire gange dens længde."

Et utilsigtet blæk

Mukherjee opdagede materialet ved et uheld, mens du forsøger at udvikle et materiale til et andet projekt, en, der ville øge mængden af ​​ladning, der kan lagres af en aktuator. Da elastomeren kom til Xie for karakterisering, han vidste med det samme, at det var specielt. "Jeg kunne med det samme se, at det var anderledes, fordi den kunne holde sin form så godt, "huskede han.

"Da vi så denne virkelig veldefinerede udbyttestress, det gik op for alle i fællesskab, at vi kunne 3-D-printe det, " sagde Bates, "og det ville være fedt, fordi ingen af ​​de 3-D-printbare materialer, vi kender til, har denne superbløde egenskab."

Flaskebørstepolymerer har eksisteret i mere end tyve år. Men, Bates sagde, "Feltet er eksploderet i de sidste ti år takket være fremskridt inden for syntetisk kemi, der giver udsøgt kontrol over størrelsen og formen af ​​disse unikke molekyler.

"Disse superbløde elastomerer kan være anvendelige som implantater, " tilføjede han. "Du kan muligvis reducere inflammation og afstødning af kroppen, hvis de mekaniske egenskaber af et implantat matcher det oprindelige væv."

Et andet vigtigt element i det nye materiale er, at det er ren polymer, Chabinyc bemærket.

"Der er intet vand eller andet opløsningsmiddel i dem, der kunstigt gør dem blødere, " han sagde.

For at forstå vigtigheden af ​​ikke at have vand i polymeren, det er nyttigt at tænke på Jell-O, som for det meste er vand og kan holde sin form, men kun så længe vandet forbliver indeni. "Hvis vandet gik væk, så ville du bare have en uformelig bunke materiale, " sagde Chabinyc. "Med en konventionel polymer, du skal finde ud af, hvordan du holder den rigtige mængde vand i den for at bevare dens struktur, men dette nye materiale er helt solidt, så det vil aldrig ændre sig."

I øvrigt, det nye materiale kan 3D-printes og behandles uden opløsningsmiddel, hvilket også er usædvanligt. "Folk tilføjer ofte opløsningsmiddel for at gøre et fast stof flydende, så det kan presses ud af en dyse, " sagde Xie, "men hvis du tilføjer opløsningsmiddel, det skal fordampe efter udskrivning, hvilket får objektet til at ændre form eller revne. "

Mukherjee tilføjede, "Vi ønskede, at materialet og trykprocessen skulle være så rent og så nemt som muligt, så vi spillede et kemitrick med opløselighed og selvsamling, hvilket muliggjorde den opløsningsmiddelfri proces. At vi ikke bruger opløsningsmidler er en enorm fordel."