Vormgeheugenpolymeren of vormveranderende materialen zijn slimme materialen die de afgelopen jaren veel aandacht hebben gekregen binnen de materiaalkunde en biomedische technologie om slimme structuren en apparaten te bouwen. Digitale lichtverwerking is een op vatfotopolymerisatie gebaseerde methode met aanzienlijk snellere technologie om in één stap een volledige laag te printen om slimme materialen te creëren.

Fahad Alam en een team van wetenschappers op het gebied van elektrische en computertechniek en nucleaire techniek aan de King Abdullah University of Science and Technology, Saoedi-Arabië, ontwikkelden een gemakkelijke en snelle methode om op polymeer gebaseerde slimme structuren met vormgeheugen in 3D te printen met digitaal lichtprinten 3D-printer en aangepaste hars.

Ze combineerden een vloeibaar kristal (een materiaal dat van vorm kan veranderen met de temperatuur) met hars, om vormgeheugeneigenschappen te introduceren om thermoresponsieve structuren rechtstreeks in 3D te printen, terwijl de complexiteit van de harsvoorbereiding werd vermeden. Het team printte de structuren met verschillende geometrieën en mat de vormgeheugenrespons. De polymeren met vormgeheugen kunnen gemakkelijk worden voorbereid voor gebruik als slimme gereedschappen, speelgoed en metamaterialen.

Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift NPG Asia Materials .

Polymeren met vormgeheugen

Vormgeheugenpolymeren behoren tot een klasse slimme polymeren met twee vormen die mechanische vervorming kunnen ondergaan en kunnen terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm als reactie op omgevingsparameters. Het herstel van het vormgeheugenpolymeer is afhankelijk van de toepassing van externe stimuli zoals warmte, licht, elektriciteit, vochtigheid en pH-veranderingen.

Dergelijke materialen zijn vormveranderende constructies die de afgelopen jaren aanzienlijke belangstelling hebben gekregen vanwege hun veelzijdigheid en industriële levensvatbaarheid. Het onderzoeksteam demonstreerde het 4D-printen van vormgeheugenpolymeren via digitale lichtverwerking; een 3D-printmethode gebaseerd op vatfotopolymerisatie. De resultaten onderstreepten de geschiktheid van 3D-geprinte complexe structuren voor een verscheidenheid aan toepassingen.

Het vormgeheugeneffect creëren

Het onderzoeksteam onderzocht het vormgeheugeneffect van de 3D-geprinte monsters door het vorminductie- en herstelproces te bestuderen. De methode maakte het eenvoudig en met hoge resolutie printen van ingewikkelde 3D-ontwerpen mogelijk. Deze constructies zijn nuttig voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals flexibele slimme patches, mechanisch gereedschap met variabele grootte en vervormbaar speelgoed. In dit werk ontwikkelden Alam en collega's een polymeer met vormgeheugen op basis van een vloeibaar kristal gemengd met een door licht uithardbare hars, om een ​​semi-kristallijn polymeer te ontwikkelen en beschreven het werkingsmechanisme ervan, gebaseerd op eerdere studies.

Het team observeerde de interne morfologie van de 3D-geprinte dwarsdoorsneden met of zonder vloeibare kristallen met behulp van scanning-elektronenmicroscopie. Vervolgens observeerden ze de reacties van polymeren met vormgeheugen in relatie tot hun vermogen om te herstellen na belasting. Het huidige werk toonde de invloed van digitale 3D-lichtverwerking om vormgeheugenpolymeren met 4D-effecten te creëren. De wetenschappers hebben de vormgeheugenrespons gekwantificeerd om de herstelhoekverhouding ten opzichte van de tijd weer te geven.

Instelbare mechanische eigenschappen

De onderzoekers onderzochten de veelbelovende toepassingen van 3D-geprinte slimme geheugenpolymeren. Om dit te bereiken bepaalden Alam en collega's de mechanische eigenschappen van de materialen door trekproeven uit te voeren op een hondenbotmonster, om te laten zien hoe de mechanische eigenschappen van gedrukte materialen kunnen worden afgestemd door de vorm van de roosterstructuren te reguleren.

Ze bevestigden de mechanische afstembaarheid van slimme materialen door eindige-elementensimulaties uit te voeren, en vergeleken de experimentele resultaten met trekproeven uit de eindige-elementenanalyse. De mechanische prestaties van de 2D-roosters, waargenomen door experimenten en voorspeld door middel van simulatie, waren het erover eens. Op basis van de flexibiliteit en rekbaarheid testten Alam en zijn team de monsters voor rektests en voor toepassingen voor bewegingsdetectie van gewrichten.

Om gezamenlijke beweging via polymeerintegratie te vergemakkelijken, pasten de wetenschappers een geleidende coating op basis van nanozilver toe als elektrode, wat verdere optimalisatie van de printparameters vereiste. De wetenschappers maten de veranderingen in de elektrische weerstand door de structuur uit te rekken en samen te drukken om de beweging bij patiënten te vergemakkelijken.

De resultaten van de weerstandsmeting van de geprepareerde roosterelektrodepatch toonden zijn potentieel aan voor gebruik als een slimme patch voor het detecteren van gewrichtsbewegingen; dit kan worden toegepast op een menselijke knie, ellebooggewricht, kunstlid of echte ledematen om beweging te voelen. Dergelijke elektrodepleisters kunnen met eenvoudige en snelle productieprocessen worden aangepast aan de grootte van de patiënt.

Vooruitzichten

Op deze manier presenteerden Fahad Alam en zijn team een ​​methode om slimme materialen in 3D te printen door eerst polymeren met vormgeheugen te gebruiken voor eenvoudige en snelle productie door middel van digitale lichtverwerking. De wetenschappers hebben de 3D-geprinte objecten aangepast om structuren te creëren die in de loop van de tijd veranderden, dit staat bekend als 4D-printen. Ze bereikten dit door vloeibare kristallen te combineren met een hars en deze af te drukken met een commerciële desktopprinter. De onderzoekers gebruikten de methode om een ​​verscheidenheid aan complexe objecten te vervaardigen, waaronder roosterpatches, opvouwbaar speelgoed, slimme verpakkingen en mechanische sleutels.

De wetenschappers onderwierpen deze objecten aan hitte, om tijdelijk van vorm te veranderen en voor daaropvolgende toepassingen voor vormherstel. Het team gebruikte trekproeven om de aanpasbare aard van polymeren met vormgeheugen aan te tonen, om te voldoen aan specifieke toepassingen in de biomedische technologie. Dergelijke 3D-geprinte roosterpatches zijn zeer geschikt voor spanningsdetectie bij gewrichtsbewegingstoepassingen. De onderzoekers registreerden de veranderingen in de elektrische weerstand van de 3D-geprinte slimme patch om de beweging in de kunstmatige ledematen en armen van patiënten te detecteren.

Meer informatie: Fahad Alam et al, Snel 4D-printen van thermoresponsieve polymeren met vormgeheugen met behulp van vatfotopolymerisatie, NPG Asia Materials (2023). DOI:10.1038/s41427-023-00511-x

© 2023 Science X Netwerk