Het repareren en hergebruiken van kunststoffen en het effectiever afleveren van kankermedicijnen zijn slechts twee van de vele mogelijke toepassingen die een nieuwe 3D/4-D-printtechnologie zou kunnen hebben, dankzij het baanbrekende werk van een onderzoekssamenwerking tussen UNSW Sydney en de Universiteit van Auckland.

De onderzoekers hebben de succesvolle samensmelting van 3D/4-D-printen en fotogestuurde/levende polymerisatie - een chemisch proces om polymeren te maken - onthuld in een paper gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie op vrijdag.

4D-printen is een subset van 3D-printen waarbij het geprinte object zijn vorm kan transformeren als reactie op bepaalde omstandigheden.

De nieuwe gecontroleerde polymerisatiemethode, waar de onderzoekers zichtbaar licht gebruikten om een ​​milieuvriendelijk "levend" plastic of polymeer te creëren, opent een nieuwe wereld van mogelijkheden voor de vervaardiging van geavanceerde vaste materialen.

Polymeren kunnen synthetisch zijn, zoals kunststof, ook biologisch, bijvoorbeeld, DNA.

Het onderzoek bouwde voort op de ontdekking van PET-RAFT-polymerisatie in 2014 door het UNSW Sydney Boyer Lab (Photo-Induced Electron/energy Transfer-Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer polymerization), een nieuwe manier om gecontroleerde polymeren te maken met zichtbaar licht, met behulp van de Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) polymerisatietechniek ontdekt door de CSIRO (Graeme Moad, San Thang en Enzo Rizzard).

Dergelijke polymeren kunnen opnieuw worden geactiveerd voor verdere groei, in tegenstelling tot traditionele polymeren die "dood" zijn nadat ze zijn gemaakt.

Sinds deze ontwikkeling de technologie is uitgebreid en is nuttig gebleken voor het maken van goed gecontroleerde moleculen voor veel toepassingen, inclusief medicijnafgifte en andere biomaterialen.

Eerste ontdekking ter wereld

Hoofdauteur Cyrille Boyer zei dat de laatste doorbraak van zijn team een ​​wereldprimeur was in de ontwikkeling van een nieuw 3D-printsysteem met PET-RAFT-polymerisatie. zodat 3D-geprinte materialen na het afdrukken gemakkelijk kunnen worden gewijzigd.

"Gecontroleerde polymerisatie is nog nooit eerder gebruikt in 3D- en 4D-printen, omdat de snelheden van typische gecontroleerde polymerisatieprocessen te laag zijn voor 3D/4-D printen, waar de reactie snel moet zijn voor praktische afdruksnelheden, " zei prof Boyer.

"Na twee jaar onderzoek en honderden experimenten, we hebben een snel proces ontwikkeld dat compatibel is met 3D-printen.

"In tegenstelling tot conventioneel 3D-printen, onze nieuwe methode om zichtbaar licht te gebruiken stelt ons in staat om de architectuur van de polymeren te controleren en de mechanische eigenschappen van de materialen die door ons proces zijn bereid af te stemmen.

"Dit nieuwe proces geeft ons ook toegang tot 4D-printen en maakt het mogelijk om het materiaal te transformeren of te functionaliseren, wat voorheen niet mogelijk was."

Nathaniel Corrigan van UNSW, co-eerste auteur met UNSW Ph.D. kandidaat Zhiheng Zhang, zei dat een bonusvoordeel van hun nieuwe systeem het vermogen was om alle moleculen in het 3D-geprinte materiaal fijn te controleren.

"4-D printen is een subset van 3D printen. Maar met 4D printen, het 3D-geprinte object kan van vorm en chemische of fysische eigenschappen veranderen en zich aanpassen aan zijn omgeving, ' zei dokter Corrigan.

"In ons werk het 3D-geprinte materiaal kan omkeerbaar van vorm veranderen wanneer het wordt blootgesteld aan water en vervolgens wordt gedroogd.

"Bijvoorbeeld, het 3D-object begint als een plat vlak en bij blootstelling aan bepaalde omstandigheden, het zal beginnen te vouwen - dat is een 4D-materiaal. Dus, de vierde dimensie is tijd."

Van afvalvermindering tot biomedische toepassingen

De onderzoekers hopen dat hun nieuwe 3D/4-D-printproces met PET-RAFT-polymerisatie zal leiden tot de productie van functionele materialen om veel van de problemen op te lossen waarmee de samenleving tegenwoordig wordt geconfronteerd.

Prof Boyer zei dat de nieuwe methode een groot aantal toepassingen had voor alledaagse voorwerpen, vooral als een vervormd of gebroken object gerepareerd of aangepast moest worden.

"De belangrijkste toepassing is natuurlijk recycling, want in plaats van één keer een plastic voorwerp te gebruiken, het kan worden gerepareerd en hergebruikt, " hij zei.

"Voor gewone recycling haal je de materialen weg en moet je ze opnieuw opbouwen, maar voor het nieuwe 'levende' materiaal zal het zichzelf kunnen herstellen.

"Bijvoorbeeld, als je het UNSW-logo op een mok wilt zetten, je kunt het oppervlak van het object wijzigen en de polymeren laten groeien om UNSW te tonen omdat het object niet dood is; het is een levend object en kan blijven groeien en uitbreiden."

Dr. Corrigan zei dat een ander groot voordeel van het nieuwe proces de compatibiliteit met biogeneeskunde was, omdat extreme omstandigheden niet nodig waren.

"De huidige benaderingen voor 3D-printen worden doorgaans beperkt door de zware omstandigheden die vereist zijn, zoals sterk UV-licht en giftige chemicaliën, die het gebruik ervan bij het maken van biomaterialen beperkt, " hij zei.

"Maar met de toepassing van PET-RAFT-polymerisatie op 3D-printen, we kunnen lange polymeermoleculen produceren met zichtbaar licht in plaats van warmte, wat de typische polymerisatiemethode is.

"Het gebruik van warmte boven de 40 graden doodt cellen, maar voor polymerisatie van zichtbaar licht kunnen we kamertemperatuur gebruiken, dus de levensvatbaarheid van de cellen is veel hoger."

Prof Boyer zei dat objecten die via dit nieuwe proces zijn gemaakt, gemakkelijker kunnen worden gebruikt in geavanceerde bio-applicaties. zoals weefselengineering, bijvoorbeeld, waar een weefselstructuur wordt gebruikt om nieuwe, levensvatbaar weefsel voor medische doeleinden.

"Onze nieuwe methode is gericht op kleinschalige, nichetoepassingen op gebieden als micro-elektronica en biogeneeskunde - een enorm gebied voor ons - die zeer geavanceerde polymeren vereisen, " hij zei.

3D- en 4D-printen voor iedereen

Prof Boyer zei dat hun nieuwe techniek commerciële en niet-deskundige operators in staat zou stellen materialen te produceren met schijnbaar eindeloze eigenschappen en toepassingen.

"We willen ons systeem verkennen om eventuele beperkingen te vinden en aan te pakken om een ​​betere opname en implementatie van deze technologie mogelijk te maken, " hij zei.

"Er is zoveel dat we kunnen doen door 3D- en 4D-printen te combineren met gecontroleerde polymerisatie om geavanceerde en functionele materialen te maken voor veel toepassingen die de samenleving ten goede komen."