材料

UC Santa Barbara研究人员开发了第一个3D可打印的“瓶装”弹性体

研究人员加州大学圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)开发了一种3D可打印的“瓶装”弹性体,具有类似于人体组织的柔软性和弹性。

博士后研究人员袁轩谢和桑约穆克赫偶发出现在新的弹性体上,同时试图为不同的项目开发一种材料。在观察其超级柔软和形状的性质之后,它们意识到它们可以使用直接墨水写入(DIW)进行3D打印弹性体以通过施加UV光将弹性体返回其固体形式之前。

According to Xie and Mukherjee, being able to 3D print bottlebrush elastomers makes it possible to harness their unique mechanical properties for applications such as biomimetic tissue and high-sensitivity electronic devices like touch pads, sensors, and actuators, which require close control over an object’s dimensions.

UC Santa Barbara和实验室领导者的助理教授Christopher Bates表示:

“当我们看到这种真正定义的压力时,它会集中在每个人都突然发现,我们可以3D打印它,这将是酷的,因为我们都没有我们所知的3D可打印材料具有这种超级软性。”

瓶装弹性体的唯一性

瓶刷聚合物已经存在了20多年,由于其结构不同于传统的弹性体或橡胶。传统的弹性体由于是由长而纠缠的线性分子组成,所以比许多生物组织更硬,而瓶刷聚合物则有附加的聚合物附着在其线性主干上。这种结构看起来很像厨房里的瓶刷,因此得名,它能使聚合物形成非常柔软的弹性体。

就研究人员来说,尽管多年来,但是多年来的奶瓶刷聚合物以前没有被打印过3D,使UC Santa Barbara的新材料更加独特。

“由于合成化学的进步,该领域在过去十年中发生了巨大的发展,它提供了对这些独特分子的大小和形状的精确控制,”Bates继续说道。“这些超软的弹性体可以用于植入物。如果植入物的机械性能与机体组织相匹配,就可能减少机体的炎症和排斥反应。”

柔软和柔韧的聚合物之前已被用于3D打印植入物的开发,其中一个例子是a软神经植入物由研究人员at.麻省理工学院(MIT)符合大脑的轮廓,以长时间监测活动。使用3D印刷的柔性聚合物电子器件可能提供对现有的基于金属植入物的更柔软,更安全和更快的替代品。

在其他地方,柔软的材料和电子产品也被组合开发了一个3D印刷原型神经植入物有可能治疗神经系统伤害,如瘫痪,并在创造一个3D印刷生物传感器用于无线监测血流。基于软聚合物的3D印刷材料也用于牙科部门,以生产透明对准器,柔性假牙和冠。

几位研究人员利用3D印刷在9月份进行医疗突破,尤其是印刷神经植入物的谢菲尔德大学(图为)。照片通过谢菲尔德大学。
神经界面可能会导致下一代治疗神经系统问题的医疗方法。通过Sheffield.ac.uk形象。

3D打印瓶装弹性体

初始发现围绕纳米长度刻度的瓶装聚合物的自组装。作为屈服应激流体分类,该材料开始作为半软固体,其具有其形状,类似于黄油,但是一旦施加足够的压力就液化。这意味着研究人员可以通过DIW 3D打印过程打印油墨形式的材料。

由于这种材料能够保持其形状数小时,它可以在不同的压力下进行调整,例如当振动存在时,以适应所需的加工条件,而不影响打印零件的结构稳定性。一旦物体被打印出来,研究人员将其暴露在紫外线下,以激活墨水配方中的交联剂。这些交联剂将瓶刷聚合物连接起来,形成一种超软弹性体,成为永久固体,这意味着它在压力下不再液化。

谢解释:“我们从不交联的长聚合物开始。这允许它们像流体一样流动。但是,在闪光灯上闪耀着它们之后,聚合物链之间的小分子反应并将其连接在一起,因此您具有固体,弹性体,当拉伸时,将返回其原始形状。“

材料的柔软性在其模量方面测量 - 实质上,它的拉伸容易 - 并且对于大多数弹性体而言,这可以与橡皮筋的橡胶带进行比较。谢和距离Mukherjee的材料具有比橡皮筋小的模量小,这意味着它非常柔软和弹力。实际上,洗瓶弹性体可以在其长度的三到四倍之间拉伸。

从左侧:未链接的聚合物油墨,施用红外光以激活交联,并最终产品 - 超软,超弹性交联弹性体。
从左侧:未链接的聚合物油墨,施用红外光以激活交联,并最终产品 - 超软,超弹性交联弹性体。图片通过Isabelle Chabinyc / UC Santa Barbara。

一个“纯”聚合物

另一个使研究人员的材料独特的因素是,它不含水或其他溶剂,以使它人工软化。传统的聚合物依赖于含有适量的水来维持其结构,然而瓶刷弹性体是固体的,所以它的形式不会改变。

“人们经常添加溶剂来液化固体,这样它就可以从喷嘴中挤出,”谢补充说。“但如果你加入溶剂,它在印刷后就会蒸发,导致物体改变形状或开裂。”

研究人员认为,无溶剂制造工艺尤其有利于使印刷过程尽可能干净和简单。这种材料“感觉非常像人体组织”,在仿生组织和高灵敏度电子器件中有多种潜在应用。

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特色图片显示从左至右:未连接的聚合物油墨,红外线被用来激活交联,最终的产品是超软,超弹性的交联弹性体。图片通过Isabelle Chabinyc / UC Santa Barbara。