'Volgens mij sta je stil.' Dit was de meest gebruikte zin van 2020, volgens Human Resources Online. Versierd op T-shirts en in reliëf op koffiemokken, we gebruikten de meme om onszelf voor de gek te houden terwijl we videoconferentietools leerden, zoals Zoom en Microsoft's Teams.

Maar voor de meer dan 7 miljoen Amerikanen die lijden aan stemstoornissen, niet gehoord worden is een ernstige zaak. Veel mensen met normale spreekvaardigheid hebben grote moeite om te communiceren wanneer hun stembox, het strottenhoofd, mislukt. Dit kan gebeuren als de stembanden, de twee banden van glad spierweefsel in het strottenhoofd, schade oplopen door een ongeval, chirurgische ingreep, virale infectie of kanker.

Er is geen vervanging voor de stembanden wanneer de schade ernstig of permanent is. Nutsvoorzieningen, een team van materiaalwetenschappers van de University of Virginia School of Engineering heeft een zacht materiaal ontwikkeld met de belofte van nieuwe behandelingen in de toekomst. Hun nieuwe zachte materiaal, een elastomeer genoemd, is zeer rekbaar en 10, 000 keer zachter dan een conventioneel rubber, overeenkomen met de mechanische eigenschappen van stembanden. Het elastomeer kan 3D-geprint worden voor gebruik in de gezondheidszorg.

Liheng Cai, assistent-professor materiaalkunde en engineering en chemische technologie, begeleidt dit onderzoek. Cai heeft ook een beleefdheidsaanstelling in biomedische technologie en leidt het Soft Biomatter Lab bij UVA. Cai's lab werkt aan het begrijpen en beheersen van de interacties tussen actieve zachte materialen, zoals responsieve polymeren of biologische gels, en levende systemen, zoals bacteriën of cellen en weefsels in het menselijk lichaam.

Cai's postdoctoraal onderzoeker Shifeng Nian en Ph.D. student Jinchang Zhu co-eerste auteur van de paper van het team, "Driedimensionale afdrukbare, Extreem zacht, Rekbaar, en omkeerbare elastomeren van Molecular Architecture-Directed Assembly, " gepubliceerd en weergegeven als een omslagartikel in Chemie van materialen . Medewerkers zijn onder andere Baoxing Xu, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek bij UVA, die simulaties heeft uitgevoerd om de vervorming van 3D-geprinte, extreem zachte structuren.

Het team ontwikkelde een nieuwe strategie om dergelijke 3D-printbare zachte elastomeren te maken. Ze gebruikten een nieuw type polymeer met een speciale architectuur die doet denken aan de flessenborstel voor het reinigen van klein glaswerk, maar op moleculaire schaal. Het flessenborstelachtige polymeer, wanneer gekoppeld om een ​​netwerk te vormen, maakt extreem zachte materialen mogelijk die biologische weefsels nabootsen.

Cai begon het potentieel van flessenborstelpolymeren te bewijzen als postdoctoraal onderzoeker aan de John H. Paulson School of Engineering and Applied Sciences van Harvard University. Cai's collaboratieve engineering van zacht maar 'droog' rubber werd gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

Nutsvoorzieningen, Cai en zijn team hebben een nieuwe manier ontwikkeld om sterke - maar omkeerbare, afhankelijk van de temperatuur - associaties te gebruiken om flessenborstelachtige polymeren te verknopen om een ​​rubber te vormen. Het idee is om chemische synthese te gebruiken om één glasachtig polymeer aan elk uiteinde van een flessenborstelachtig polymeer toe te voegen. Dergelijke glasachtige polymeren organiseren spontaan zichzelf om bollen op nanoschaal te vormen die hetzelfde zijn als die van plastic waterflessen. Ze zijn stijf bij kamertemperatuur maar smelten bij hoge temperatuur; dit kan worden benut om zachte structuren in 3D te printen.

De elasticiteit van hun materiaal kan worden verfijnd van ongeveer 100 tot 10, 000 pascal op de drukschaal die het materiaal kan weerstaan. De ondergrens, ongeveer 100 pascal, is een miljoen keer zachter dan plastic en 10, 000 keer zachter dan conventionele 3D-printbare elastomeren. Bovendien, ze kunnen worden uitgerekt tot 600%.

"Hun extreme zachtheid, rekbaarheid en thermostabiliteit zijn een goed voorteken voor toekomstige toepassingen, ' zei Cai.

Cai crediteert Nian voor het ontwikkelen van de chemie voor het synthetiseren van flessenborstelpolymeren met een nauwkeurig gecontroleerde architectuur om de zachtheid en rekbaarheid van elastomeren voor te schrijven. Het elastomeer kan als inkt in een 3D-printer worden gebruikt om een ​​geometrische vorm te creëren met de eigenschappen van rubber.

De 3D-printer zelf is ongeveer zo groot als een koelkast in een slaapzaal. Zhu heeft het mondstuk op maat ontworpen voor het extrudersysteem dat de materialen in een voorgeschreven hoeveelheid in een 3D-ruimte schiet, geleid door een computerprogramma dat specifiek is voor het gewenste object.

Nian behaalde zijn Ph.D. in chemie van UVA in 2018, en trad toe tot Cai's Soft Biomatter-lab als postdoc. "Dr. Cai's groep geeft me de kans om mijn onderzoek uit te breiden van klassieke chemie naar materiaalontwikkeling; we vinden veel coole materialen uit met speciale mechanische, elektrische en optische eigenschappen, ' zei Nien.

Wat cool is aan het zachte materiaal van het team, is het vermogen om zichzelf te organiseren en samen te stellen wanneer elke druppel wordt afgezet. Wanneer het materiaal op siliconenbasis voor het eerst in de inktpatroon wordt geladen, het heeft de consistentie van honing, half vast en half vloeibaar. Naarmate het afdrukken vordert, het oplosmiddel bindt de lagen en verdampt vervolgens om het object naadloos op te bouwen. Bovendien, je kunt het opnieuw doen als je fouten maakt, omdat het materiaal 100% herverwerkbaar en recyclebaar is.

"Conventionele 3D-printbare elastomeren zijn intrinsiek stijf; het printproces vereist vaak externe mechanische ondersteuning of nabehandeling, ' zei Cai. 'Hier, we demonstreren de toepasbaarheid van ons elastomeer als inkt voor direct-write printing 3D-structuren."

Om de manier te bestuderen waarop de moleculen van het materiaal met elkaar in verbinding staan, Cai's team werkte samen met Guillaume Freychet en Mikhail Zhernenkov, beamline-wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. Ze voerden experimenten uit met behulp van het geavanceerde röntgenapparaat van de National Synchrotron Light Source II, specifiek de zachte materie interfaces bundellijn, om de innerlijke samenstelling van de gedrukte materialen te onthullen zonder de monsters te beschadigen.

"De SMI-bundellijn is bij uitstek geschikt voor dit soort onderzoek vanwege de hoge röntgenbundelintensiteit, uitstekende afstembaarheid van energie- en momentumoverdracht, en zeer lage achtergrond. Werken met Cai's team, we konden zien hoe het flessenborstelachtige polymeer zich assembleerde tot een verknoopt netwerk, ' zei Zhernenkov.

Cai schat dat het team nog twee of drie jaar verwijderd is van het zien van hun elastomeren in praktisch gebruik, een versneld tempo mogelijk gemaakt door de 3D-printmethode van het team. Soms additieve fabricage genoemd, 3D-printen is een onderzoekskracht van UVA's Department of Materials Science and Engineering; onderzoekers in deze arena proberen de fysica te begrijpen die ten grondslag ligt aan additieve productieprocessen bij het creëren van nieuwe materiaalsystemen.

Het verbeteren van de gezondheid is slechts één drijfveer voor hun onderzoek.

"Wij geloven dat onze bevindingen de ontwikkeling van nieuwe zachte materialen als inkt voor 3D-printen zullen stimuleren, die de basis kunnen vormen voor een breed scala aan adaptieve apparaten en structuren zoals sensoren, rekbare elektronica en zachte robotica, ' zei Cai.