De ingenieurs van Rutgers hebben een "4D-print"-methode uitgevonden voor een slimme gel die zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van "levende" structuren in menselijke organen en weefsels, zachte robots en gerichte medicijnafgifte.

De 4D-printbenadering omvat hier het printen van een 3D-object met een hydrogel (waterbevattende gel) die in de loop van de tijd van vorm verandert wanneer de temperatuur verandert, zei Howon Lee, senior auteur van een nieuwe studie en assistent-professor bij de afdeling Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de Rutgers University-New Brunswick.

De studie, vandaag online gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , demonstreert snel, schaalbaar, hoge resolutie 3D-printen van hydrogels, die stevig blijven en hun vorm behouden ondanks het feit dat ze water bevatten. Hydrogels zijn overal in ons leven, waaronder in Jell-O, contactlenzen, luiers en het menselijk lichaam.

De slimme gel kan zorgen voor structurele stijfheid in organen zoals de longen, en kan kleine moleculen zoals water of medicijnen bevatten die in het lichaam moeten worden getransporteerd en vrijgegeven. Het zou ook een nieuw gebied van zachte robotica kunnen creëren, en nieuwe toepassingen mogelijk te maken in flexibele sensoren en actuatoren, biomedische apparaten en platforms of steigers voor cellen om te groeien, zei Lee.

"Het volledige potentieel van deze slimme hydrogel is tot nu toe niet ontketend, " zei Leen, die werkt in de School of Engineering. "We hebben er nog een dimensie aan toegevoegd, en dit is de eerste keer dat iemand het op deze schaal heeft gedaan. Ze zijn flexibel, vormveranderende materialen. Ik noem ze graag slimme materialen."

Ingenieurs van Rutgers-New Brunswick en het New Jersey Institute of Technology werkten met een hydrogel die al tientallen jaren wordt gebruikt in apparaten die beweging en biomedische toepassingen genereren, zoals steigers voor cellen om op te groeien. Maar de productie van hydrogel was sterk afhankelijk van conventionele, tweedimensionale methoden zoals gieten en lithografie.

In hun studie hebben de ingenieurs gebruikten een op lithografie gebaseerde techniek die snel is, goedkoop en kan een breed scala aan materialen in een 3D-vorm printen. Het gaat om het printen van lagen van een speciale hars om een ​​3D-object te bouwen. De hars bestaat uit de hydrogel, een chemische stof die als bindmiddel werkt, een andere chemische stof die de hechting vergemakkelijkt wanneer er licht op valt en een kleurstof die de lichtpenetratie regelt.

De ingenieurs leerden hoe ze de groei en krimp van hydrogel nauwkeurig konden beheersen. Bij temperaturen onder 32 graden Celsius (ongeveer 90 graden Fahrenheit), de hydrogel neemt meer water op en zwelt op. Als de temperatuur hoger is dan 32 graden Celsius, de hydrogel begint water te verdrijven en krimpt. De objecten die ze met de hydrogel kunnen maken, variëren van de breedte van een mensenhaar tot enkele millimeters lang. De ingenieurs ontdekten ook dat ze een gebied van een 3D-geprint object kunnen laten groeien - door beweging te creëren en te programmeren - door de temperatuur te veranderen.

"Als je de vorm volledig onder controle hebt, dan kun je de functie ervan programmeren, Lee zei. "Ik denk dat dat de kracht is van het 3D-printen van materiaal dat van vorm verandert. Dit principe kun je bijna overal toepassen."