Forskerteam udvikler en ny klasse bløde materialer

"Jeg tror, ​​du er stille." Dette var den mest brugte sætning i 2020, ifølge Human Resources Online. Pyntet på T-shirts og præget på kaffekrus, vi brugte meme til at gøre grin med os selv, mens vi lærte videokonferenceværktøjer som Zoom og Microsofts teams.

Men for de mere end 7 millioner amerikanere, der lider af stemmeforstyrrelser, ikke at blive hørt er en alvorlig sag. Mange mennesker, der har normale taleevner, har store problemer med at kommunikere, når deres stemmeboks, strubehovedet, fejler. Dette kan forekomme, hvis stemmebåndene, de to bånd af glat muskelvæv i strubehovedet, lide skade ved en ulykke, kirurgisk indgreb, virusinfektion eller kræft.

Der er ingen erstatning for stemmebåndene, når skaden er alvorlig eller permanent. Nu, et team af materialeforskere ved University of Virginia School of Engineering har udviklet et blødt materiale med løfte om nye behandlinger i fremtiden. Deres nye bløde materiale, kaldet en elastomer, er meget strækbar og 10, 000 gange blødere end en konventionel gummi, matcher stemmebåndenes mekaniske egenskaber. Elastomeren kan 3D -printes til brug i sundhedsvæsenet.

Liheng Cai, adjunkt i materialevidenskab og teknik og kemiteknik, overvåger denne forskning. Cai har også en høflighedsudnævnelse i biomedicinsk teknik og leder Soft Biomatter Lab ved UVA. Cais laboratorium arbejder på at forstå og kontrollere interaktionerne mellem aktive bløde materialer, såsom responsive polymerer eller biologiske geler, og levende systemer, såsom bakterier eller celler og væv i den menneskelige krop.

Cai's post-doctoral researcher Shifeng Nian og ph.d. studerende Jinchang Zhu var først medforfatter til teamets papir, "Tredimensionel udskrivbar, Ekstremt blød, Strækbart, og reversible elastomerer fra molekylær arkitektur-styret samling, " udgivet og vist som en forsideartikel i Materialernes kemi . Blandt samarbejdspartnere kan nævnes Baoxing Xu, lektor i mekanik og rumfartsteknik ved UVA, der udførte simuleringer for at forstå deformationen af ​​3D-printet, ekstremt bløde strukturer.

Teamet udviklede en ny strategi for at lave sådanne 3D-printbare bløde elastomerer. De brugte en ny type polymer med en speciel arkitektur, der minder om flaskebørsten til rengøring af små glasvarer, men på molekylær skala. Den flaskebørste-lignende polymer, når det er knyttet til et netværk, muliggør ekstremt bløde materialer, der efterligner biologiske væv.

Cai begyndte at bevise potentialet ved flaskebørstepolymerer som postdoc ved Harvard Universitys John H. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Cais samarbejdsudvikling af blødt, men 'tørt' gummi blev offentliggjort i Avancerede materialer .

Nu, Cai og hans team har udviklet en ny måde at bruge stærke - men alligevel reversible afhængigt af temperaturen - forbindelser til at tværbinde flaskebørstelignende polymerer for at danne en gummi. Ideen er at bruge kemisk syntese til at tilføje en glasagtig polymer til hver ende af en flaskebørste-lignende polymer. Sådanne glasagtige polymerer selvorganiserer sig spontant for at danne nanoskala-kugler, der er de samme som for vandflasker i plast. De er stive ved stuetemperatur, men smelter ved høj temperatur; dette kan udnyttes til at 3D-printe bløde strukturer.

Materialets elasticitet kan finjusteres fra cirka 100 til 10, 000 pascal på den skala af tryk, materialet kan modstå. Den nedre grænse, cirka 100 pascal, er en million gange blødere end plast og 10, 000 gange blødere end konventionelle 3D-printbare elastomerer. I øvrigt, de kan strækkes op til 600%.

"Deres ekstreme blødhed, strækbarhed og termostabilitet lover godt for fremtidige applikationer, " sagde Cai.

Cai krediterer Nian for at udvikle kemien til syntetisering af flaskebørstepolymerer med præcist kontrolleret arkitektur til at foreskrive elastomers blødhed og strækbarhed. Elastomeren kan bruges som blæk i en 3D -printer til at skabe en geometrisk form med kvaliteter af gummi.

Selve 3D -printeren er på størrelse med et kollegieværelse for kollegier. Zhu specialdesignede dysen til ekstrudersystemet, der skyder materialerne i en foreskreven mængde i et 3D-rum, styret af et computerprogram, der er specifikt for det ønskede objekt.

Nian fik sin ph.d. i kemi fra UVA i 2018, og sluttede sig til Cai's Soft Biomatter lab som post-doc. "Dr. Cais gruppe giver mig en mulighed for at udvide min forskning fra klassisk kemi til materialeudvikling; vi finder på en masse fede materialer med specielle mekaniske, elektriske og optiske egenskaber, " sagde Nian.

Det fede ved holdets bløde materiale er dets evne til selvorganisering og samling, når hver dråbe aflejres. Når det silikonebaserede materiale først indlæses i blækpatronen, den har konsistens af honning, halvt fast og halvt flydende. Efterhånden som udskrivningen skrider frem, opløsningsmidlet binder lagene og fordamper derefter for problemfrit at bygge objektet. I øvrigt, du kan gøre det igen, hvis du laver fejl, da materialet er 100% genanvendeligt og genanvendeligt.

"Konventionelle 3D-printbare elastomerer er iboende stive; udskrivningsprocessen kræver ofte ekstern mekanisk støtte eller efterbehandling, "Sagde Cai." Her, vi demonstrerer vores elastomers anvendelighed som blæk til direkte-skrivetryk 3D-strukturer. "

For at studere den måde materialets molekyler hænger sammen, Cai's team samarbejdede med Guillaume Freychet og Mikhail Zhernenkov, beamline forskere ved U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory. De udførte eksperimenter ved hjælp af National Synchrotron Light Source II's sofistikerede røntgenværktøj, specifikt den bløde stof-grænseflades beamline, at afsløre den trykte materiales indre makeup uden at beskadige prøverne.

"SMI-strålelinjen er ideel til denne type forskning på grund af dens høje røntgenstråleintensitet, fremragende energi og momentumoverførsel tunability, og meget lav baggrund. Arbejde med Cai's team, vi var i stand til at se, hvordan den flaskebørstelignende polymer samles til et tværbundet netværk, " sagde Zhjernenkov.

Cai vurderer, at holdet er to eller tre år væk fra at se deres elastomerer i praktisk brug, et accelereret tempo aktiveret af teamets 3D-udskrivningsmetode. Nogle gange kaldet additiv fremstilling, 3D-print er en forskningsstyrke af UVA's Institut for Materialevidenskab og Teknik; forskere på denne arena søger at forstå den fysik, der ligger til grund for additive fremstillingsprocesser, når de skaber nye materialesystemer.

Forbedring af sundhed er blot en motivator for deres forskning.

"Vi mener, at vores fund vil stimulere udviklingen af ​​nye bløde materialer som blæk til 3D -print, som kan være grundlaget for en bred vifte af adaptive enheder og strukturer såsom sensorer, strækbar elektronik og blød robotik, " sagde Cai.