Omkeerbare vormverandering is een zeer wenselijke eigenschap voor veel biomedische toepassingen, inclusief mechanische aandrijvingen, zachte robotica en kunstmatige spieren. Sommige materialen kunnen van grootte of vorm veranderen wanneer ze met licht worden bestraald, mechanische vervorming teweegbrengen zonder direct contact met uitzicht op afstandsbediening. Omkeerbaar te engineeren, vormveranderende (RSC) structuren:actieve materialen die reageren op externe prikkels zoals licht, warmte of elektrische velden worden samen met andere niet-actieve materialen gebruikt. Hoewel geavanceerd 3D-printen met meerdere materialen het ontwerp en de fabricage van RSC-structuren mogelijk heeft gemaakt, alleen specifieke materialen kunnen worden bedrukt, breed gebruik te beperken.

Als een alternatief, een eenvoudigere methode werd onlangs gepresenteerd met behulp van het 'grijswaardenpatroon' om de lichtintensiteitsverdeling van een geprojecteerd patroon op fotopolymeren of door licht geactiveerde harsen te regelen en verknoping te induceren om omkeerbare, zelfvouwende en ontvouwende 2-D origami-structuren. Verschillende lichtintensiteiten resulteerden in verschillende verknopingsdichtheden binnen de foto-uitgeharde polymeervellen. In een nieuwe studie, Qi en collega's brachten het grijswaardenpatroon voor gecontroleerde lichtintensiteitsverdeling over van een 2D-oppervlak naar 3D-printen om RSC-structuren laag voor laag te ontwikkelen. Als de grijswaardenpatronen goed zijn ontworpen, een verscheidenheid aan 3D-structuren met het vermogen om in de tijd reversibel te krimpen en te zwellen (vierde dimensie) voor 4-D-gedrag werd mogelijk gemaakt. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Multifunctionele materialen , IOP Wetenschap.

Als bewijs van principe, de studie gebruikte een DLP-printer (Digital Light Processing) voor 4-D-printen in grijstinten met een UV-projectorlichtbron om een ​​fotocurabel vloeibaar harspolymeer te printen dat is samengesteld uit poly(ethyleenglycol)diacrylaat (PEGDA), butylmethacrylaat (BMA), butylacrylaat (BA), foto-initiatoren en fotoabsorbers. De van belang zijnde structuur werd eerst ontworpen en in afbeeldingen gesneden die overeenkomen met elke afdruklaag. De ontworpen grijswaarden van elke afbeelding op verschillende ruimtelijke posities werden verwerkt met Matlab en doorgegeven aan de UV-projector om af te drukken. Het principe van materiaalfabricage was gebaseerd op lichtbestraling voor fotogeïnduceerde verharding van de vloeibare harsoplossing. Het ontworpen product was een structuur met verschillende verknopingsdichtheden op verschillende ruimtelijke posities om omkeerbare vormveranderingen mogelijk te maken.

Toen de gedrukte structuur werd ondergedompeld in een waterbad, een proces dat bekend staat als desolvatie begon, als kleine oligomeren in het ongelijk verknoopte materiaal dat uit de structuur diffundeerde, waardoor de gedrukte structuur kan vervormen naar het minder uitgeharde deel. Gebaseerd op het ontwerp van grijswaardenpatronen, een verscheidenheid aan zelfvouwende structuren werden gevormd via desolvatie-geïnduceerde vervorming.

De vormverandering was omkeerbaar en relatief snel in een oplossing van aceton; structuren absorbeerden het oplosmiddel om te zwellen en hun oorspronkelijke vorm te herstellen terwijl ze nog in oplossing waren. De teruggewonnen structuur zou weer buigen bij verwijdering uit aceton, terugkerend naar zijn secundaire structuur in de lucht.

In principe, de grijswaardenwaarde van elke pixel van het gesegmenteerde beeld regelde de lichtintensiteit of lichtdosis, die de uiteindelijke omzetting van het materiaal tijdens het drukken beïnvloedde. Het proces werd gedigitaliseerd om het grijswaardenpatroon en de resulterende constructie nauwkeurig te controleren. Nieuw ontwikkelde materialen werden gekarakteriseerd met behulp van ATR-FTIR (verzwakte totale reflectie-Fourier transformatie infrarood spectroscopie) om de mate van uitharding (DoC) van het gefotopolymeriseerde monster te meten, gevolgd door het kwantificeren van de modulus van de jongen om de materiaalstijfheid te testen, foto-curatiereactiekinetiek en de kwantificering van desolvatie versus herstel.

Actieve structuren die van vorm veranderen of reversibel functioneren als reactie op externe prikkels hebben toepassingen in de lucht- en ruimtevaarttechniek, medische apparaten en flexibele elektronica als vormgeheugenpolymeren. Zelfuitzettende/krimpende structuren zijn bruikbaar als lichte actuatoren en voor toepassingen als endovasculaire stents. Dergelijke ontwerpen werden in het onderzoek ook ontworpen als zelfuitzettende/krimpende materialen met behulp van de grijswaarden 4-D-afdrukmethode. De transformatietijd varieerde tussen 6 minuten in aceton en 25 minuten in lucht. Het concept werd vervolgens op dezelfde manier uitgebreid van een plat oppervlak naar een kubusvorm, de hersteltijd in aceton was ongeveer 4 minuten en de droogtijd aan de lucht was 8 minuten. Met hetzelfde concept Wu et al. creëerde ook een bloemachtige structuur om in oplossing te krimpen en in de lucht te bloeien.

De onderzoekers ontwikkelden bovendien geavanceerde auxetische structuren of metamaterialen (die intrinsiek een negatieve Poisson-verhouding hebben) gecombineerd met normale materialen (positieve Poisson-verhouding) met behulp van de druktechniek, transformatie tussen de twee te bewerkstelligen.

De grijswaarden 4D-printmethode is ontwikkeld als een proof-of-principle om een ​​eenvoudige en economische techniek te bieden om actieve structuren te creëren. De auteurs stellen een reeks potentiële biomedische toepassingen voor voor de gemanipuleerde materialen als composietmaterialen in zachte robotica en endovasculaire stents.

© 2018 Fys.org