4D tiskárna pro chytré materiály s magnetickými a elektromechanickými vlastnostmi
Vědci z Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) vytvořili software a hardware pro 4D tiskárnu s aplikacemi v biomedicínské oblasti. Kromě 3D tisku tento stroj umožňuje ovládání dalších funkcí: programování odezvy materiálu tak, aby ke změně tvaru docházelo pod vnějším magnetickým polem, nebo ke změnám jeho elektrických vlastností při mechanické deformaci. To otevírá dveře k návrhu měkkých robotů nebo chytrých senzorů a substrátů, které mimo jiné přenášejí signály do různých celulárních systémů.
Tato výzkumná linie se zaměřuje na vývoj měkkých multifunkčních struktur, které se skládají z materiálů s mechanickými vlastnostmi napodobujícími biologické tkáně, jako je mozek nebo kůže. Kromě toho jsou schopny měnit svůj tvar nebo vlastnosti, když jsou ovládány vnějšími podněty, jako jsou magnetická pole nebo elektrické proudy.
Až dosud tento tým výzkumníků učinil několik pokroků v návrhu a výrobě těchto struktur, ale byly velmi omezené, pokud jde o tvarový design a programování inteligentních reakcí. Práce prezentovaná v jejich nejnovější studii publikované v časopise Advanced Materials Technologies jim umožnila otevřít nové možnosti vyvinutím nové metodiky 4D tisku.
„Tato technologie nám umožňuje nejen řídit způsob, jakým tiskneme trojrozměrné struktury, ale také jim dát možnost měnit jejich vlastnosti nebo geometrii v reakci na působení vnějších magnetických polí nebo schopnost modifikovat jejich elektrické vlastnosti při deformacích“ vysvětluje jeden z výzkumníků Daniel García González, vedoucí projektu ERC 4D-BIOMAP (GA 947723) a docent na katedře mechaniky kontinua a teorie struktur UC3M.
Tento typ tisku je složitý, protože materiál, který má být vytlačován, během procesu tisku přechází z kapaliny na pevnou látku. Je proto nutné porozumět dynamice materiálu, abychom přizpůsobili výrobní proces a získali materiál, který je dostatečně tekutý, když proudí tryskou tiskárny, ale zároveň dostatečně pevný, aby si zachoval specifický tvar.
Za tímto účelem vyvinuli interdisciplinární metodologii, která kombinuje teoretické a experimentální techniky, které jim umožňují postavit tiskové zařízení od začátku, a to jak fyzickou část zařízení (hardware), tak počítačové programy, které umožňují jeho ovládání (software ).
Podle další nedávné publikace v časopise Composites Part B: Engineering vědci také vyvinuli nový materiálový koncept, který je schopen se sám léčit autonomně bez potřeby vnějšího působení. "Tento materiál se skládá z měkké polymerní matrice osazené magnetickými částicemi s remanentním polem. Pro praktické účely je to jako bychom měli v materiálu rozmístěny malé magnety, takže pokud dojde k rozbití, výsledné části se opět spojí dohromady, fyzicky se spojí a obnoví svou strukturální integritu,“ říká Daniel García González.
Díky těmto pokrokům, které vedly k několika registrovaným patentům, byli tito vědci schopni tisknout tři typy funkčních materiálů: některé, které mění svůj tvar a vlastnosti v reakci na vnější magnetická pole; ostatní se schopností samouzdravování a další, jejichž elektrické vlastnosti (vodivost) se mění podle jejich tvaru nebo deformace. S prvním typem materiálu vyvinuli chytré substráty pro přenos sil a signálů do buněčných systémů, aby mohly ovlivňovat biologické procesy, jako je proliferace nebo migrace buněk. Tyto materiály lze také použít pro konstrukci měkkých robotů, jejichž výkon lze řídit magnetickými poli.
Kombinace materiálů se samoopravnými schopnostmi, jejichž elektrické vodivé vlastnosti se mění s deformací, otevírá obrovské možnosti ve vývoji senzorů. "Můžeme si představit senzory, které jsou připojeny k našemu tělu a shromažďují informace o našem pohybu z variací elektrické vodivosti. Navíc schopnost samoléčení materiálu umožňuje navrhovat senzory s binárními signály. Pokud jsme například měli zranění kolena a potřeba omezit rotaci na maximální hodnotu, můžeme přes náš kloub začlenit malý pásek tohoto materiálu,“ říká Daniel Garcia González.
"Tímto způsobem, když překročíme tuto maximální rotaci, materiál se zlomí a projeví se náhlou změnou svých elektrických vlastností, čímž poskytne varovný signál. Při návratu kolena do uvolněného stavu však hojivá schopnost materiálu vyústí v obnovení elektrického signálu. Můžeme tak sledovat naše pohyby a varovat před rizikovými stavy po operaci nebo během rehabilitace.“
