Druk 4D
Druk 4-wymiarowy ( druk 4D ; znany również jako biodruk 4D , aktywne origami lub systemy morfingu kształtu ) wykorzystuje te same techniki druku 3D poprzez zaprogramowane komputerowo nakładanie materiału w kolejnych warstwach w celu stworzenia trójwymiarowego obiektu. Jednak w druku 4D powstały kształt 3D może zmieniać się w różne formy w odpowiedzi na bodźce środowiskowe, przy czym czwarty wymiar to zależna od czasu zmiana kształtu po wydrukowaniu. Jest to zatem rodzaj programowalnej materii , gdzie po procesie wytwarzania, zadrukowany produkt reaguje z parametrami otoczenia (wilgotność, temperatura, napięcie itp.) i odpowiednio zmienia swoją formę.
Techniki drukarskie
Stereolitografia to technika drukowania 3D, która wykorzystuje fotopolimeryzację do wiązania podłoża, które zostało ułożone warstwa po warstwie, tworząc sieć polimerową. W przeciwieństwie do modelowania osadzania topionego, w którym wytłaczany materiał twardnieje natychmiast, tworząc warstwy, druk 4D zasadniczo opiera się na stereolitografii, w której w większości przypadków światło ultrafioletowe jest używane do utwardzania warstw materiałów po zakończeniu procesu drukowania. Anizotropia ma kluczowe znaczenie w inżynierii kierunku i wielkości przekształceń w danych warunkach, poprzez ułożenie mikromateriałów w taki sposób, aby w gotowym druku była osadzona kierunkowość.
Architektura światłowodowa
Większość systemów drukowania 4D wykorzystuje sieć włókien, które różnią się rozmiarem i właściwościami materiału. Elementy drukowane w technologii 4D można projektować zarówno w skali makro, jak i mikro. Projekt w skali mikro uzyskuje się poprzez złożone symulacje molekularne/włókniste, które przybliżają zagregowane właściwości wszystkich materiałów użytych w próbce. Rozmiar, kształt, moduł i wzór połączenia tych bloków budulcowych materiału mają bezpośredni związek z kształtem deformacji pod wpływem aktywacji bodźca.
Hydroreaktywne polimery/hydrożele
Skylar Tibbits jest dyrektorem Self-Assembly Lab w MIT i współpracowała z Stratasys Materials Group nad wyprodukowaniem polimeru kompozytowego złożonego z wysoce hydrofilowych elementów i nieaktywnych, bardzo sztywnych elementów. Wyjątkowe właściwości tych dwóch odmiennych elementów pozwoliły na pęcznienie niektórych części drukowanego łańcucha w wodzie do 150%, podczas gdy sztywne elementy określają ograniczenia dotyczące struktury i kąta przekształconego łańcucha. Stworzyli łańcuch, który po zanurzeniu w wodzie oznaczałby „MIT”, a także inny łańcuch, który w tych samych warunkach zmieniłby się w sześcian z drucianej ramy.
Kompozyty celulozowe
Thiele i in. zbadali możliwości materiału na bazie celulozy, który mógłby reagować na wilgoć. Opracowali film dwuwarstwowy, używając stearoilowych estrów celulozy o różnych stopniach podstawienia po obu stronach. Jeden ester miał stopień podstawienia 0,3 (wysoce hydrofilowy ), a drugi miał stopień podstawienia 3 (wysoce hydrofobowy .) Gdy próbka została schłodzona z 50°C do 22°C, a wilgotność względna wzrosła z 5,9% do 35%, strona hydrofobowa kurczyła się, a strona hydrofilowa pęczniała, powodując ciasne zwijanie się próbki. Proces ten jest odwracalny, ponieważ cofnięcie zmian temperatury i wilgotności spowodowało ponowne rozwinięcie próbki.
Zrozumienie pęcznienia anizotropowego i mapowanie ułożenia wydrukowanych włókienek umożliwiło A. Sydney Gladman i in . naśladować paskudne zachowanie roślin. Gałęzie, łodygi, przylistki i kwiaty reagują na bodźce środowiskowe, takie jak wilgotność, światło i dotyk, zmieniając wewnętrzny turgor ścian komórkowych i skład tkanek. Opierając się na tym precedensie, zespół opracował kompozytowy hydrożel architektura z miejscowym pęcznieniem anizotropowym, które naśladuje strukturę typowej ściany komórkowej. Włókna celulozowe łączą się w procesie drukowania w mikrofibryle o wysokim współczynniku kształtu (~100) i module sprężystości w skali 100 GPa. Te mikrofibryle są osadzone w miękkiej akryloamidowej w celu uzyskania struktury.
Lepkosprężysty atrament użyty do drukowania tego hydrożelowego kompozytu to wodny roztwór N,N-dimetyloakryloamidu, nanoglinki, oksydazy glukozowej, glukozy i nanofibrylowanej celulozy. Nanoglinka jest reologicznym , który poprawia przepływ cieczy, a glukoza zapobiega hamowaniu tlenu podczas utwardzania materiału światłem ultrafioletowym. Eksperymentując z tym atramentem, zespół stworzył teoretyczny model ścieżki drukowania, który dyktuje orientację włókien celulozy, gdzie dolna warstwa wydruku jest równoległa do osi x, a górna warstwa wydruku jest obrócona o kąt w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara θ. Krzywizna próbki zależy od modułów sprężystości, stopnia pęcznienia oraz stosunku grubości warstwy do grubości warstwy dwuwarstwowej. Zatem skorygowane modele opisujące średnią krzywiznę i krzywiznę Gaussa są odpowiednio
I
Gladmana i in. odkryli, że gdy θ zbliża się do 0 °, krzywizna zbliża się do klasycznego równania Timoszenki i zachowuje się podobnie do paska bimetalicznego . Ale gdy θ zbliża się do 90°, krzywizna zmienia się w siodło. Rozumiejąc to, zespół mógł dokładnie kontrolować efekty anizotropii i przerywać linie symetrii, aby tworzyć helikoidy, pofałdowane profile i nie tylko.
Termoreaktywne polimery/hydrożele
Poli(N-izopropyloakrylamid) lub pNIPAM jest powszechnie stosowanym materiałem termoreaktywnym. Hydrożel pNIPAM staje się hydrofilowy i pęcznieje w roztworze wodnym 32 ° C, jego niska krytyczna temperatura roztworu. Temperatury powyżej tej wartości zaczynają odwadniać hydrożel i powodują jego kurczenie się, uzyskując w ten sposób zmianę kształtu. Hydrożele złożone z pNIPAM i jakiegoś innego polimeru, takiego jak akrylan 4-hydroksybutylu (4HBA), wykazują silną odwracalność, gdzie nawet po 10 cyklach zmiany kształtu nie następuje deformacja kształtu. Shannon E. Bakarich i in. stworzyli nowy rodzaj atramentu do druku 4D złożonego z jonowych hydrożeli kowalencyjnych, które mają podobną strukturę do standardowych hydrożeli o podwójnej sieci. Pierwsza sieć polimerowa jest usieciowana kationami metali, natomiast druga jest usieciowana wiązaniami kowalencyjnymi. Ten hydrożel jest następnie łączony z siecią pNIPAM w celu hartowania i aktywacji termicznej. W testach laboratoryjnych ten żel wykazał powrót kształtu o 41% -49%, gdy temperatura wzrosła o 20–60 ° C (68–140 ° F), a następnie została przywrócona do 20 ° C. Inteligentny zawór kontrolujący płyn wydrukowany z tego materiału został zaprojektowany tak, aby zamykał się po dotknięciu gorącej wody i otwierał po dotknięciu zimnej wody. Zawór z powodzeniem pozostawał otwarty w zimnej wodzie i zmniejszał natężenie przepływu ciepłej wody o 99%. Ten nowy typ hydrożelu drukowanego w technologii 4D jest bardziej wytrzymały mechanicznie niż inne hydrożele uruchamiane termicznie i wykazuje potencjał w zastosowaniach, takich jak samoorganizujące się struktury, technologia medyczna, miękka robotyka i technologia czujników.
Cyfrowe polimery z pamięcią kształtu
Polimery z pamięcią kształtu (SMP) są w stanie odzyskać swój pierwotny kształt ze zdeformowanego kształtu w pewnych okolicznościach, na przykład po wystawieniu na działanie temperatury przez pewien czas. W zależności od polimeru mogą istnieć różne konfiguracje, które materiał może przyjmować w różnych warunkach temperaturowych. Cyfrowe SMP wykorzystują technologię druku 3D w celu precyzyjnego zaprojektowania rozmieszczenia, geometrii oraz proporcji mieszania i utwardzania SMP o różnych właściwościach, takich jak temperatura zeszklenia lub przejścia kryształów w stop. Yiqi Mao i in . wykorzystali to do stworzenia serii cyfrowych zawiasów SMP, które mają różne określone zachowania termomechaniczne i pamięć kształtu, które są szczepione na sztywnych, nieaktywnych materiałach. W ten sposób zespół był w stanie opracować samoskładającą się próbkę, która mogłaby się składać bez ingerencji w siebie, a nawet zazębiać się, tworząc solidniejszą strukturę. Jednym z projektów jest samoskładające się pudełko wzorowane na skrzynce pocztowej USPS.
Qi Ge i in . zaprojektowali cyfrowe SMP oparte na składnikach o różnych modułach gumy i temperaturach zeszklenia z ekstremalnie wysokimi odkształceniami awaryjnymi, nawet o 300% większymi niż istniejące materiały nadające się do drukowania. To pozwoliło im stworzyć wielomateriałowy chwytak, który może chwytać i uwalniać obiekt w zależności od wprowadzonej temperatury. Grube złącza zostały wykonane z SMP, aby zapewnić wytrzymałość, podczas gdy końcówki mikrochwytaków można było zaprojektować oddzielnie, aby zapewnić bezpieczny kontakt przedmiotu transportu.
Relaksacja stresu
Relaksacja naprężeń w druku 4D to proces, w którym zespół materiału powstaje pod wpływem naprężenia, które zostaje „przechowane” w materiale. To naprężenie można później uwolnić, powodując ogólną zmianę kształtu materiału.
Termiczne polimery fotoreaktywne
Ten rodzaj aktywowania polimeru można opisać jako wywołaną fotorelaksacją relaksację naprężeń .
Ta technologia wykorzystuje sterowane temperaturą gięcie polimerów poprzez wystawienie pożądanych szwów na zginanie na skupione paski intensywnego światła. Te zginane szwy są drukowane w stanie naprężenia, ale nie odkształcają się, dopóki nie zostaną wystawione na działanie światła. Czynnikiem aktywnym wywołującym wyginanie materiału jest ciepło przekazywane przez intensywne światło. Sam materiał jest wykonany z fotoreaktywnych polimerów chemicznych. Związki te wykorzystują mieszaninę polimerów połączoną z fotoinicjatorem w celu utworzenia amorficznego, kowalencyjnego usieciowanego polimeru. Materiał ten jest formowany w arkusze i obciążany naprężeniem prostopadłym do pożądanego zagięcia.
Materiał jest następnie wystawiany na działanie światła o określonej długości fali, gdy fotoinicjator jest zużywany, polimeryzuje pozostałą mieszaninę, indukując relaksację naprężeń inicjowaną foto. Część materiału wystawiona na działanie światła można kontrolować za pomocą szablonów, aby uzyskać określone wzory gięcia. Możliwe jest również przeprowadzenie wielu iteracji tego procesu przy użyciu tej samej próbki materiału z różnymi warunkami obciążenia lub maskami szablonów dla każdej iteracji. Ostateczna postać będzie zależała od kolejności i postaci wynikowej każdej iteracji.
Bieżące aplikacje
Biomedyczne
Zespół badawczy dr Lijie Grace Zhang z George Washington University stworzył nowy rodzaj fotoutwardzalnej płynnej żywicy do druku 4D . Ta żywica jest wykonana z odnawialnego epoksydowanego związku akrylowego z oleju sojowego, który jest również biokompatybilny. Ta żywica dołącza do niewielkiej grupy żywic nadających się do druku 3D i jest jedną z niewielu, które są biokompatybilne. Wydrukowana laserowo próbka tej żywicy została poddana wahaniom temperatury od -18°C do 37°C i całkowicie odzyskała swój pierwotny kształt. Wydrukowane rusztowania z tego materiału okazały się skutecznymi podstawami dla mezenchymalnej komórki macierzystej ludzkiego szpiku kostnego (hMSC). Silne właściwości tego materiału, takie jak efekt pamięci kształtu i biokompatybilność, skłaniają badaczy do przekonania, że znacznie przyspieszy on rozwój rusztowań biomedycznych. Ten artykuł badawczy jest jednym z pierwszych, które badają zastosowanie polimerów olejów roślinnych jako płynnych żywic do stereolitografii w zastosowaniach biomedycznych.
Zespół badawczy Leonida Ionova (Uniwersytet w Bayreuth) opracował nowe podejście do drukowania biokompatybilnych/biodegradowalnych hydrożeli z żywymi komórkami. Podejście to umożliwia wytwarzanie pustych, samoskładających się rur z niespotykaną dotąd kontrolą nad ich średnicami i architekturą w wysokiej rozdzielczości. Uniwersalność podejścia została wykazana poprzez zastosowanie dwóch różnych biopolimerów (alginianu i kwasu hialuronowego) oraz mysich komórek podścieliska szpiku kostnego. Wykorzystanie parametrów drukowania i post-druku pozwala na uzyskanie średnich wewnętrznych średnic rurek tak niskich jak 20 μm, co nie jest jeszcze osiągalne przy użyciu innych istniejących metod biodrukowania i jest porównywalne ze średnicami najmniejszych naczyń krwionośnych. Proponowany proces biodruku 4D nie ma żadnego negatywnego wpływu na żywotność wydrukowanych komórek, a samoskładające się tuby na bazie hydrożelu zapewniają przeżycie komórek przez co najmniej 7 dni bez jakiegokolwiek spadku żywotności komórek. W związku z tym przedstawiona strategia biodruku 4D umożliwia wytwarzanie dynamicznie rekonfigurowalnych architektur o regulowanej funkcjonalności i responsywności, regulowanych przez wybór odpowiednich materiałów i komórek.
Możliwe zastosowania
Istnieje kilka istniejących technik/technologii, które potencjalnie można zastosować i dostosować do druku 4D.
Siła trakcji komórkowej
Cell Traction Force (CTF) to technika, w której żywe komórki składają się i przesuwają mikrostruktury do ich zaprojektowanego kształtu. Jest to możliwe dzięki skurczowi, który występuje w wyniku aktyny i interakcji aktomiozyny w komórce. W procesach naturalnych CTF reguluje gojenie się ran, angiogenezę , przerzuty i stany zapalne . Takeuchi i in. zaszczepiono komórki na dwóch mikropłytkach, a kiedy struktura szklana została usunięta, komórki wypełniały szczelinę w poprzek mikropłytki i w ten sposób inicjowały samofałdowanie. Dzięki tej metodzie zespołowi udało się stworzyć geometrie przypominające naczynia, a nawet dwunastościany o dużej przepustowości. Istnieją spekulacje, że wykorzystanie tej techniki origami komórkowego doprowadzi do zaprojektowania i wydrukowania struktury wypełnionej komórkami, która może naśladować ich niesyntetyczne odpowiedniki po zakończeniu procesu drukowania.
Inteligentne materiały elektryczne i magnetyczne
Istniejące obecnie materiały reagujące na elektryczność zmieniają swój rozmiar i kształt w zależności od natężenia i/lub kierunku zewnętrznego pola elektrycznego lub przyłożonego prądu elektrycznego. Polianilina i polipirol (PPy) są w szczególności materiałami dobrze przewodzącymi i mogą być domieszkowane tetrafluoroboranem , aby kurczyć się i rozszerzać pod wpływem bodźca elektrycznego. Robot wykonany z tych materiałów poruszał się za pomocą impulsu elektrycznego 3 V przez 5 sekund, powodując wyprostowanie jednej nogi, a następnie usunięcie bodźca na 10 sekund, powodując ruch drugiej nogi do przodu. Badania nad nanorurkami węglowymi , które są biokompatybilne i wysoce przewodzące, wskazuje, że kompozyt wykonany z nanorurek węglowych i próbki z pamięcią kształtu ma wyższą przewodność elektryczną i szybkość odpowiedzi elektroaktywnej niż każda sama próbka.
Wykazano również, że struktury kompozytowe z pamięcią kształtu zawierające wysoce przewodzące metalowe warstwy powierzchniowe są wysoce wrażliwe na elektryczność. Ze względu na wysoką przewodność elektryczną, którą zapewnia metalowa powierzchnia pokryta bezprądowo, kompozyty te mogą być stosowane w urządzeniach elektrycznych do wykrywania temperatury (jeśli używana jest matryca polimerowa z pamięcią kształtu reagująca na temperaturę) lub jako elektryczne urządzenia zabezpieczające. BQY Chan i in. wyprodukował urządzenie wykrywające wiele temperatur z różnymi przełącznikami wyzwalanymi w różnych temperaturach. Wykazano, że włączenie metalicznej powłoki nie ma negatywnego wpływu na działanie przełączników z pamięcią kształtu.
Reagujące magnetycznie ferrogele kurczą się w obecności silnego pola magnetycznego, a zatem mają zastosowanie w dostarczaniu leków i komórek. Połączenie nanorurek węglowych i cząstek reagujących magnetycznie zostało poddane biodrukowi w celu promowania wzrostu i adhezji komórek, przy jednoczesnym zachowaniu silnego przewodnictwa.
Handel i transport
Skylar Tibbits omawia przyszłe zastosowania materiałów drukowanych w technologii 4D jako programowalnych produktów, które można dostosować do określonych środowisk i reagować na takie czynniki, jak temperatura, wilgotność, ciśnienie i dźwięk ciała lub otoczenia. Tibbits wspomina również o zaletach druku 4D w zastosowaniach wysyłkowych – pozwoli to na pakowanie produktów na płasko, aby później aktywować ich zaprojektowany kształt na miejscu za pomocą prostego bodźca. Istnieje również możliwość wydrukowania w 4D kontenerów transportowych, które reagują na siły w transporcie, aby równomiernie rozłożyć ładunki. Jest bardzo prawdopodobne, że materiały wydrukowane w 4D będą w stanie same się naprawić po awarii. Materiały te będą mogły się samoczynnie rozkładać, dzięki czemu ich części składowe będą łatwe do recyklingu.