Il cambiamento di forma reversibile è una proprietà altamente desiderabile per molte applicazioni biomediche, compresi attuatori meccanici, robotica morbida e muscoli artificiali. Alcuni materiali possono cambiare dimensione o forma se irradiati dalla luce, innescando deformazioni meccaniche senza contatto diretto offrendo prospettive di controllo remoto. Per ingegnerizzare reversibile, strutture che cambiano forma (RSC):materiali attivi che rispondono a stimoli esterni come luce, i campi di calore o elettrici vengono utilizzati insieme ad altri materiali non attivi. Sebbene la stampa 3D multimateriale avanzata abbia consentito la progettazione e la fabbricazione di strutture RSC, possono essere stampati solo materiali specifici, limitarne l'uso ampio.

In alternativa, è stato recentemente presentato un metodo più semplice che utilizza il "modello in scala di grigi" per controllare la distribuzione dell'intensità della luce di un modello proiettato su fotopolimeri o resine attivate dalla luce e indurre la reticolazione per creare reversibilità, strutture di origami 2-D auto-pieganti e spieganti. Diverse intensità di luce hanno portato a diverse densità di reticolazione all'interno dei fogli polimerici fotopolimerizzabili. In un nuovo studio, Qi e i suoi collaboratori hanno trasferito il modello in scala di grigi per la distribuzione controllata dell'intensità della luce da una superficie 2D alla stampa 3D per progettare le strutture RSC strato per strato. Se i modelli in scala di grigi sono stati progettati bene, sono state rese possibili una varietà di strutture 3-D con la capacità di ridursi e gonfiarsi in modo reversibile nel tempo (quarta dimensione) per il comportamento 4-D. I risultati sono ora pubblicati in Materiali multifunzionali , Scienza dell'IOP.

Come prova di principio, lo studio ha utilizzato una stampante DLP (Digital Light Processing) per la stampa 4-D in scala di grigi con una sorgente di luce del proiettore UV per stampare un polimero di resina liquida fotopolimerizzabile composto da poli(etilenglicole) diacrilato (PEGDA), butil metacrilato (BMA), butil acrilato (BA), fotoiniziatori e fotoassorbitori. La struttura di interesse è stata prima progettata e suddivisa in immagini corrispondenti a ogni strato di stampa. La scala di grigi progettata di ogni immagine in diverse posizioni spaziali è stata elaborata utilizzando Matlab e passata al proiettore UV per la stampa. Il principio della fabbricazione del materiale si basava sull'irradiazione della luce per l'indurimento fotoindotto della soluzione di resina liquida. Il prodotto ingegnerizzato era una struttura con diverse densità di reticolazione in diverse posizioni spaziali per consentire cambiamenti di forma reversibili.

Quando la struttura stampata è stata immersa in un bagno d'acqua, iniziò un processo noto come desolvazione, come piccoli oligomeri all'interno del materiale reticolato in modo dissimile diffuso fuori dalla struttura, permettendo alla struttura stampata di deformarsi verso la parte meno polimerizzata. Sulla base della progettazione di modelli in scala di grigi, una varietà di strutture auto-ripieganti si sono formate tramite la deformazione indotta dalla desolvatazione.

Il cambio di forma era reversibile e relativamente veloce in una soluzione di acetone; le strutture hanno assorbito il solvente per rigonfiarsi e recuperare la sua forma originale mentre erano ancora in soluzione. La struttura recuperata si piegherebbe di nuovo dopo la rimozione dall'acetone, tornando alla sua struttura secondaria in aria.

In linea di principio, il valore della scala di grigi di ciascun pixel dell'immagine affettata controllava l'intensità della luce o la dose di luce, che ha influenzato la conversione finale del materiale durante la stampa. Il processo è stato digitalizzato per controllare con precisione il modello in scala di grigi e il costrutto risultante. I materiali di nuova concezione sono stati caratterizzati utilizzando ATR-FTIR (spettroscopia infrarossa a riflessione totale attenuata-trasformata di Fourier) per misurare il grado di polimerizzazione (DoC) del campione fotopolimerizzato, seguito dalla quantificazione del modulo di Young per testare la rigidità del materiale, cinetica della reazione di foto-indurimento e quantificazione della desolvatazione rispetto al recupero.

Le strutture attive che cambiano forma o funzionano in modo reversibile in risposta a stimoli esterni hanno applicazioni nell'ingegneria aerospaziale, dispositivi medici ed elettronica flessibile come polimeri a memoria di forma. Le strutture autoespandibili/restringenti sono utili come attuatori di luce e per applicazioni come stent endovascolari. Tali progetti sono stati anche progettati nello studio come materiali autoespandibili/restringenti utilizzando il metodo di stampa 4-D in scala di grigi. Il tempo di trasformazione variava tra 6 minuti in acetone e 25 minuti in aria. Il concetto è stato poi esteso da una superficie piana a una forma cubica utilizzando lo stesso metodo, il tempo di recupero in acetone è stato di circa 4 minuti e il tempo di asciugatura all'aria è stato di 8 minuti. Utilizzando lo stesso concetto Wu et al. ha anche creato una struttura simile a un fiore per restringersi in soluzione e sbocciare nell'aria.

I ricercatori hanno inoltre sviluppato strutture auxetiche avanzate o metamateriali (che hanno intrinsecamente un rapporto di Poisson negativo) combinati con materiali normali (rapporto di Poisson positivo) utilizzando la tecnica di stampa, per ingegnerizzare la trasformazione tra i due.

Il metodo di stampa 4-D in scala di grigi è stato sviluppato come prova di principio per fornire una tecnica semplice ed economica per creare strutture attive. Gli autori propongono una gamma di potenziali applicazioni biomediche per i materiali ingegnerizzati come materiali compositi nella robotica morbida e negli stent endovascolari.

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