Riparare e riutilizzare la plastica e fornire farmaci antitumorali in modo più efficace sono solo due delle molte potenziali applicazioni che potrebbe avere una nuova tecnologia di stampa 3-D/4-D, grazie al lavoro pionieristico di una collaborazione di ricerca tra UNSW Sydney e l'Università di Auckland.

I ricercatori hanno rivelato la riuscita fusione della stampa 3-D/4-D e della polimerizzazione fotocontrollata/vivente, un processo chimico per creare polimeri, in un articolo pubblicato su Angewandte Chemie Edizione Internazionale di venerdì.

La stampa 4D è un sottoinsieme della stampa 3D in cui l'oggetto stampato può trasformare la sua forma in risposta a determinate condizioni.

Il nuovo metodo di polimerizzazione controllata, dove i ricercatori hanno usato la luce visibile per creare una plastica o un polimero "vivente" rispettoso dell'ambiente, apre un nuovo mondo di possibilità per la produzione di materiali solidi avanzati.

I polimeri possono essere sintetici, come la plastica, oltre che biologico, Per esempio, DNA.

La ricerca si è basata sulla scoperta del 2014 della polimerizzazione PET-RAFT da parte dell'UNSW Sydney Boyer Lab (polimerizzazione fotoindotta di trasferimento di elettroni/energia a trasferimento reversibile per addizione frammentazione a catena di trasferimento), un nuovo modo di produrre polimeri controllati utilizzando la luce visibile, utilizzando la tecnica di polimerizzazione Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) scoperta dal CSIRO (Graeme Moad, San Thang ed Enzo Rizzard).

Tali polimeri possono essere riattivati ​​per un'ulteriore crescita, a differenza dei polimeri tradizionali che sono "morti" dopo essere stati realizzati.

Da questo sviluppo, la tecnologia si è ampliata e si è dimostrata utile per realizzare molecole ben controllate per molte applicazioni, compresa la somministrazione di farmaci e altri biomateriali.

Prima scoperta al mondo

L'autore principale Cyrille Boyer ha affermato che l'ultima svolta del suo team è stata una prima mondiale nello sviluppo di un nuovo sistema di stampa 3D utilizzando la polimerizzazione PET-RAFT, per consentire ai materiali stampati in 3D di essere facilmente modificati dopo la stampa.

"La polimerizzazione controllata non è mai stata utilizzata prima nella stampa 3D e 4D, perché le velocità dei tipici processi di polimerizzazione controllata sono troppo lente per la stampa 3-D/4-D, dove la reazione deve essere veloce per velocità di stampa pratica, "Ha detto il professor Boyer.

"Dopo due anni di ricerche e centinaia di esperimenti, abbiamo sviluppato un processo rapido compatibile con la stampa 3D.

"In contrasto con la stampa 3D convenzionale, il nostro nuovo metodo di utilizzo della luce visibile ci consente di controllare l'architettura dei polimeri e mettere a punto le proprietà meccaniche dei materiali preparati dal nostro processo.

"Questo nuovo processo ci dà anche accesso alla stampa 4D e permette di trasformare o funzionalizzare il materiale, cosa che prima non era possibile".

Nathaniel Corrigan dell'UNSW, co-primo autore con UNSW Ph.D. candidato Zhiheng Zhang, ha affermato che un vantaggio bonus del loro nuovo sistema era la capacità di controllare con precisione tutte le molecole nel materiale stampato in 3D.

"La stampa 4-D è un sottoinsieme della stampa 3-D. Ma con la stampa 4-D, l'oggetto stampato in 3D può cambiare forma e proprietà chimiche o fisiche e adattarsi al suo ambiente, " ha detto il dottor Corrigan.

"Nel nostro lavoro, il materiale stampato in 3D potrebbe cambiare la sua forma in modo reversibile quando è stato esposto all'acqua e poi asciugato.

"Per esempio, l'oggetto 3D inizia come un piano piatto e quando esposto a determinate condizioni, inizierà a piegarsi:è un materiale 4-D. Così, la quarta dimensione è il tempo."

Dalla riduzione dei rifiuti alle applicazioni biomediche

I ricercatori sperano che il loro nuovo processo di stampa 3-D/4-D che utilizza la polimerizzazione PET-RAFT porterà alla produzione di materiali funzionali per risolvere molti dei problemi che la società deve affrontare oggi.

Il professor Boyer ha affermato che il nuovo metodo ha una moltitudine di applicazioni per oggetti di uso quotidiano, in particolare se un oggetto deformato o rotto deve essere riparato o modificato.

"L'applicazione principale è ovviamente il riciclaggio, perché invece di usare un oggetto di plastica una volta, può essere riparato e riutilizzato, " Egli ha detto.

"Per il riciclaggio ordinario togli i materiali e devi ricostruirli, ma per il nuovo materiale 'vivo' potrà ripararsi.

"Per esempio, se vuoi mettere il logo UNSW su una tazza, puoi modificare la superficie dell'oggetto e far crescere i polimeri per mostrare UNSW perché l'oggetto non è morto; è un oggetto vivente e può continuare a crescere ed espandersi."

Il Dr. Corrigan ha affermato che un altro importante vantaggio del nuovo processo è stata la sua compatibilità con la biomedicina, perché le condizioni estreme non erano necessarie.

"Gli attuali approcci alla stampa 3D sono in genere limitati dalle dure condizioni richieste, come una forte luce UV e sostanze chimiche tossiche, che ne limita l'uso nella produzione di biomateriali, " Egli ha detto.

"Ma con l'applicazione della polimerizzazione PET-RAFT alla stampa 3D, possiamo produrre lunghe molecole polimeriche usando la luce visibile piuttosto che il calore, che è il tipico metodo di polimerizzazione.

"Usare il calore sopra i 40 gradi uccide le cellule, ma per la polimerizzazione a luce visibile possiamo usare la temperatura ambiente, quindi la vitalità delle cellule è molto più alta".

Il professor Boyer ha affermato che gli oggetti realizzati attraverso questo nuovo processo potrebbero essere utilizzati più facilmente in applicazioni biologiche avanzate, come l'ingegneria dei tessuti, Per esempio, dove una struttura tissutale viene utilizzata per formare nuovi, tessuto vitale per scopi medici.

"Il nostro nuovo metodo si rivolge a piccola scala, applicazioni di nicchia in campi come la microelettronica e la biomedicina, un settore enorme per noi, che richiedono polimeri molto avanzati, " Egli ha detto.

Stampa 3D e 4D per tutti

Il professor Boyer ha affermato che la loro nuova tecnica consentirà agli operatori commerciali e non esperti di produrre materiali con proprietà e applicazioni apparentemente infinite.

"Vogliamo esplorare il nostro sistema per trovare e affrontare eventuali limitazioni per consentire una migliore adozione e implementazione di questa tecnologia, " Egli ha detto.

"C'è così tanto che possiamo fare combinando la stampa 3D e 4D con la polimerizzazione controllata per realizzare materiali avanzati e funzionali per molte applicazioni a beneficio della società".