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Ma per gli oltre 7 milioni di americani che soffrono di disturbi vocali, non essere ascoltati è una cosa seria. Molte persone che hanno normali capacità di parlare hanno grandi difficoltà a comunicare quando la loro casella vocale, la laringe, non riesce. Ciò può verificarsi se le corde vocali, le due fasce di tessuto muscolare liscio nella laringe, subire danni da incidente, operazione chirurgica, infezione virale o cancro.

Non c'è sostituzione per le corde vocali quando il danno è grave o permanente. Ora, un team di scienziati dei materiali presso la School of Engineering dell'Università della Virginia ha sviluppato un materiale morbido con la promessa di nuovi trattamenti in futuro. Il loro nuovo materiale morbido, chiamato un elastomero, è molto estensibile e 10, 000 volte più morbida di una gomma convenzionale, corrispondenza delle proprietà meccaniche delle corde vocali. L'elastomero può essere stampato in 3D per l'uso nel settore sanitario.

Liheng Cai, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria chimica, sovrintende a questa ricerca. Cai tiene anche un appuntamento di cortesia in ingegneria biomedica e guida il Soft Biomatter Lab presso l'UVA. Il laboratorio di Cai lavora per comprendere e controllare le interazioni tra materiali morbidi attivi, come polimeri reattivi o gel biologici, e sistemi viventi, come batteri o cellule e tessuti del corpo umano.

Il ricercatore post-dottorato di Cai Shifeng Nian e il Ph.D. lo studente Jinchang Zhu è stato co-autore del documento del team, "Stampabile tridimensionale, Estremamente morbido, estensibile, e elastomeri reversibili dall'assemblaggio orientato all'architettura molecolare, " pubblicato e presentato come articolo di copertina in Chimica dei materiali . I collaboratori includono Baoxing Xu, professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l'UVA, che ha condotto simulazioni per comprendere la deformazione della stampa 3D, strutture estremamente morbide.

Il team ha sviluppato una nuova strategia per realizzare questi elastomeri morbidi stampabili in 3D. Hanno usato un nuovo tipo di polimero con una particolare architettura che ricorda lo scovolino per pulire i piccoli bicchieri, ma su scala molecolare. Il polimero simile a uno scovolino, quando collegati per formare una rete, consente materiali estremamente morbidi che imitano i tessuti biologici.

Cai ha iniziato a dimostrare il potenziale dei polimeri a spazzola da bottiglia come borsista post-dottorato presso la John H. Paulson School of Engineering and Applied Sciences dell'Università di Harvard. L'ingegneria collaborativa di Cai di gomma morbida ma "asciutta" è stata pubblicata in Materiale avanzato .

Ora, Cai e il suo team hanno sviluppato un nuovo modo per utilizzare associazioni forti, ma reversibili a seconda della temperatura, per reticolare polimeri simili a scovolini per formare una gomma. L'idea è di usare la sintesi chimica per aggiungere un polimero vetroso a ciascuna estremità di un polimero simile a uno scovolino. Tali polimeri vetrosi si auto-organizzano spontaneamente per formare sfere su nanoscala che sono le stesse delle bottiglie d'acqua di plastica. Sono rigidi a temperatura ambiente ma fondono ad alta temperatura; questo può essere sfruttato per la stampa 3D di strutture morbide.

L'elasticità del loro materiale può essere regolata da circa 100 a 10, 000 pascal sulla scala di pressione che il materiale può sopportare. Il limite inferiore, circa 100 pascal, è un milione di volte più morbida della plastica e 10, 000 volte più morbidi dei tradizionali elastomeri stampabili in 3D. Inoltre, possono essere allungati fino al 600%.

"La loro estrema morbidezza, elasticità e termostabilità fanno ben sperare per applicazioni future, " disse Cai.

Cai attribuisce a Nian il merito di aver sviluppato la chimica per la sintesi di polimeri a spazzola per bottiglie con un'architettura controllata con precisione per prescrivere la morbidezza e l'elasticità degli elastomeri. L'elastomero può essere utilizzato come inchiostro in una stampante 3D per creare una forma geometrica con le qualità della gomma.

La stessa stampante 3D ha le dimensioni di un frigorifero in un dormitorio. Zhu ha progettato su misura l'ugello per il sistema di estrusione che spara i materiali in una quantità prescritta in uno spazio 3D, guidato da un programma informatico specifico per l'oggetto desiderato.

Nian ha conseguito il dottorato di ricerca. in chimica da UVA nel 2018, e si è unito al laboratorio Soft Biomatter di Cai come post-doc. "Il gruppo del Dr. Cai mi dà l'opportunità di espandere la mia ricerca dalla chimica classica allo sviluppo dei materiali; stiamo inventando molti materiali fantastici con meccaniche speciali, proprietà elettriche e ottiche, "ha detto Nian.

La cosa bella del materiale morbido del team è la sua capacità di auto-organizzarsi e assemblarsi man mano che ogni goccia viene depositata. Quando il materiale a base di silicone viene caricato per la prima volta nella cartuccia di inchiostro, ha la consistenza del miele, metà solido e metà liquido. Man mano che la stampa procede, il solvente lega gli strati e poi evapora per costruire l'oggetto senza soluzione di continuità. Inoltre, puoi rifarlo se commetti errori, in quanto il materiale è rilavorabile e riciclabile al 100%.

"Gli elastomeri stampabili in 3D convenzionali sono intrinsecamente rigidi; il processo di stampa spesso richiede supporto meccanico esterno o post-trattamento, " disse Cai. "Ecco, dimostriamo l'applicabilità del nostro elastomero come inchiostri per strutture 3D con stampa a scrittura diretta."

Per studiare il modo in cui le molecole del materiale si interconnettono, Il team di Cai ha collaborato con Guillaume Freychet e Mikhail Zhernenkov, scienziati della linea di luce del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Hanno condotto esperimenti utilizzando il sofisticato strumento a raggi X della National Synchrotron Light Source II, in particolare la linea di luce delle interfacce della materia morbida, per rivelare la composizione interna dei materiali stampati senza danneggiare i campioni.

"La linea di luce SMI è ideale per questo tipo di ricerca grazie alla sua elevata intensità del fascio di raggi X, eccellente sintonizzabilità del trasferimento di energia e quantità di moto, e sfondo molto basso. Lavorando con il team di Cai, siamo stati in grado di vedere come il polimero simile a uno scovolino si assembla in una rete reticolata, " Disse Zhernenkov.

Cai stima che il team sia a due o tre anni di distanza dal vedere i propri elastomeri nell'uso pratico, un ritmo accelerato consentito dal metodo di stampa 3D del team. A volte chiamata produzione additiva, La stampa 3D è un punto di forza della ricerca del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UVA; i ricercatori in questo campo cercano di comprendere la fisica alla base dei processi di produzione additiva mentre creano nuovi sistemi di materiali.

Migliorare la salute è solo una delle motivazioni per la loro ricerca.

"Crediamo che i nostri risultati stimoleranno lo sviluppo di nuovi materiali morbidi come inchiostri per la stampa 3D, che può essere la base per un'ampia gamma di dispositivi e strutture adattive come sensori, elettronica estensibile e robotica morbida, " disse Cai.