I polimeri con memoria di forma o materiali che cambiano forma sono materiali intelligenti che negli ultimi anni hanno guadagnato un'attenzione significativa nella scienza dei materiali e nell'ingegneria biomedica per costruire strutture e dispositivi intelligenti. L'elaborazione della luce digitale è un metodo basato sulla fotopolimerizzazione in vasca con una tecnologia significativamente più veloce per stampare uno strato completo in un unico passaggio per creare materiali intelligenti.
Fahad Alam e un team di scienziati di ingegneria elettrica e informatica e di ingegneria nucleare presso l'Università di Scienza e Tecnologia King Abdullah, in Arabia Saudita, hanno sviluppato un metodo facile e veloce per stampare in 3D strutture intelligenti basate su polimeri a memoria di forma con una stampa digitale a luce chiara Stampante 3D e resina personalizzata.
Hanno combinato un cristallo liquido (un materiale che può cambiare forma con la temperatura) con la resina, per introdurre proprietà di memoria di forma nelle strutture termoreattive stampate direttamente in 3D, evitando la complessità della preparazione della resina. Il team ha stampato le strutture con geometrie diverse e ha misurato la risposta della memoria di forma. I polimeri a memoria di forma possono essere comodamente preparati per essere utilizzati come strumenti intelligenti, giocattoli e metamateriali.
L'articolo è pubblicato sulla rivista NPG Asia Materials .
I polimeri a memoria di forma appartengono a una classe di polimeri intelligenti a doppia forma che possono subire deformazioni meccaniche e ritornare alla loro forma originale in risposta a parametri ambientali. Il recupero del polimero a memoria di forma dipende dall'applicazione di stimoli esterni come calore, luce, elettricità, umidità e variazioni di pH.
Tali materiali sono costrutti mutaforma che hanno guadagnato un notevole interesse negli ultimi anni grazie alla loro versatilità e fattibilità industriale. Il gruppo di ricerca ha dimostrato la stampa 4D di polimeri a memoria di forma tramite l’elaborazione della luce digitale; un metodo di stampa 3D basato sulla fotopolimerizzazione in vasca. I risultati hanno evidenziato l'idoneità delle strutture complesse stampate in 3D per una varietà di applicazioni.
Creare l'effetto memoria di forma
Il gruppo di ricerca ha studiato l’effetto memoria di forma dei campioni stampati in 3D studiando il processo di induzione e recupero della forma. Il metodo ha consentito la stampa semplice e ad alta risoluzione di complessi progetti 3D. Questi costrutti sono utili in una varietà di applicazioni come patch intelligenti flessibili, strumenti meccanici di dimensioni variabili e giocattoli deformabili. In questo lavoro, Alam e colleghi hanno sviluppato un polimero a memoria di forma basato su un cristallo liquido mescolato con una resina fotoindurente, per sviluppare un polimero semicristallino e ne hanno descritto il meccanismo d'azione, sulla base di studi precedenti.
Il team ha osservato la morfologia interna delle sezioni trasversali stampate in 3D con o senza cristalli liquidi utilizzando la microscopia elettronica a scansione. Hanno poi osservato le risposte dei polimeri a memoria di forma rispetto alla loro capacità di recuperare dopo il carico. Il presente lavoro ha mostrato l’influenza dell’elaborazione della luce digitale 3D per creare polimeri a memoria di forma con effetti 4D. Gli scienziati hanno quantificato la risposta della memoria di forma per mostrare il rapporto dell'angolo di recupero rispetto al tempo.
Proprietà meccaniche regolabili
I ricercatori hanno esplorato le promettenti applicazioni dei polimeri di memoria intelligente stampati in 3D. Per raggiungere questo obiettivo, Alam e colleghi hanno determinato le proprietà meccaniche dei materiali conducendo test di trazione su un campione di osso di cane, per mostrare come le proprietà meccaniche dei materiali stampati possono essere regolate regolando la forma delle strutture reticolari.
Hanno confermato la possibilità di regolazione meccanica dei materiali intelligenti conducendo simulazioni agli elementi finiti e confrontando i risultati sperimentali con le prove di trazione derivanti dall'analisi degli elementi finiti. Le prestazioni meccaniche dei reticoli 2D osservate tramite esperimento e previste tramite simulazione sono concordate. Sulla base della flessibilità e dell'estensibilità, Alam e il team hanno testato i campioni per prove di deformazione e per applicazioni di rilevamento del movimento articolare.
Per facilitare il movimento articolare tramite l'integrazione del polimero, gli scienziati hanno applicato un rivestimento conduttivo a base di nanoargento come elettrodo, che ha richiesto un'ulteriore ottimizzazione dei parametri di stampa. Gli scienziati hanno misurato i cambiamenti nella resistenza elettrica allungando e comprimendo la struttura per facilitare il movimento dei pazienti.
I risultati della misurazione della resistenza del patch dell'elettrodo reticolare preparato hanno mostrato il suo potenziale per l'uso come patch intelligente per il rilevamento del movimento articolare; questo può essere applicato a un ginocchio umano, all'articolazione del gomito, a un arto artificiale o ad arti reali per rilevare il movimento. Tali patch per elettrodi possono essere personalizzati in base alle dimensioni del paziente mediante processi di produzione semplici e veloci.
Prospettive
In questo modo, Fahad Alam e il suo team hanno presentato un metodo per stampare in 3D materiali intelligenti utilizzando innanzitutto polimeri a memoria di forma per una produzione facile e veloce attraverso l’elaborazione della luce digitale. Gli scienziati hanno personalizzato gli oggetti stampati in 3D per creare strutture che cambiavano nel tempo, questo è noto come stampa 4D. Hanno raggiunto questo obiettivo combinando cristalli liquidi con una resina e stampandoli utilizzando una stampante desktop commerciale. I ricercatori hanno utilizzato il metodo per produrre una varietà di oggetti complessi, tra cui toppe reticolari, giocattoli pieghevoli, imballaggi intelligenti e chiavi meccaniche.
Gli scienziati hanno sottoposto questi oggetti al calore, per modificarne temporaneamente la forma e per successive applicazioni di recupero della forma. Il team ha utilizzato test di trazione per dimostrare la natura regolabile dei polimeri a memoria di forma, per soddisfare applicazioni specifiche nell'ingegneria biomedica. Tali patch reticolari stampate in 3D sono adatte per il rilevamento della deformazione nelle applicazioni di movimento articolare. I ricercatori hanno registrato i cambiamenti nella resistenza elettrica del cerotto intelligente stampato in 3D per rilevare il movimento nelle articolazioni degli arti artificiali e nelle braccia dei pazienti.
Ulteriori informazioni: Fahad Alam et al, Stampa 4D Swift di polimeri a memoria di forma termoreattivi mediante fotopolimerizzazione in vasca, NPG Asia Materials (2023). DOI:10.1038/s41427-023-00511-x
© 2023 Rete Scienza X
