新的 3D 可打印超柔軟材料

2021-11-19

弗吉尼亞大學工程學院的一個材料科學家團隊開發了一種柔軟的材料，有望提供一種新的治療方法來替代聲帶的嚴重或永久性損傷。他們的新型柔軟材料稱為彈性體，具有很強的拉伸性，比傳統橡膠柔軟 10,000 倍，並且與聲帶的機械性能相匹配。彈性體可以 3D 打印用於醫療保健。

新聚合物，新戰略

該團隊開發了一種新穎的策略來製造這種可 3D 打印的軟彈性體。他們使用了一種新型聚合物，其結構類似於洗瓶刷，可用於清潔小玻璃器皿，但在分子尺度上。這種聚合物類似於瓶刷，當連接起來形成網絡時，可以使材料非常柔軟，模仿生物組織。

材料科學與工程和化學工程學院助理教授蔡立恆主持了這項研究。 Cai 還獲得了生物醫學工程的禮貌任命，並領導了 UVA 的 SOFT BIOMATTER 實驗室。蔡的實驗室致力於理解和控制活性軟材料（如響應聚合物或生物凝膠）與生命系統（如人體中的細菌或細胞和組織）之間的相互作用。

蔡和他的團隊開發了一種新方法，可以使用強（但依賴於溫度的可逆）締合來交聯瓶狀刷狀聚合物以形成橡膠。這個想法是使用化學合成將玻璃狀聚合物連接到牙刷狀聚合物的末端。這種玻璃狀聚合物自發地自組織形成與塑料水瓶相同的納米級球體。它們在室溫下是剛性的，但在高溫下會熔化；這可用於 3D 打印軟結構。

可調節彈性和高拉伸性

它們的材料的彈性可以在材料可以承受的壓力範圍內在大約 100 到 10,000 帕斯卡之間進行微調。下限約為 100 帕斯卡，比塑料軟 1 萬倍，比傳統 10,000D 可打印彈性體軟 3 倍。此外，它們可以拉伸到 600%。

蔡說，它們極其柔軟、彈性和熱穩定性預示著未來的應用。

蔡認為，博士後研究員年石峰開發了一種化學方法來合成具有精確控制結構的瓶刷聚合物，以指定彈性體的柔韌性和拉伸性。彈性體可用作 3D 打印機中的墨水，以創建橡膠質量的幾何形狀。

3D打印機本身大約有宿舍冰箱那麼大。 Zhu 為擠出機系統定制了噴嘴，該系統在特定於所需對象的計算機程序的指導下，在 3D 空間中噴射規定量的材料。

蔡博士的課題組讓我有機會將研究從經典化學延伸到材料開發；我們正在發明許多具有特殊機械、電學和光學特性的很酷的材料。

自組織和組裝材料

該團隊的軟材料很酷的一點是，它可以在每一滴沉積時自組織和組裝。當矽基材料首次裝入墨盒時，它具有蜂蜜、半固體和半液體的稠度。隨著打印的進行，溶劑結合各層，然後蒸發以無縫構建對象。此外，如果您犯了任何錯誤，您可以重新製作，因為該材料是 100% 可再加工和可回收的。

傳統的 3D 可打印彈性體本質上是剛性的；印刷過程通常需要外部機械支持或後處理。蔡說，在這裡，我們展示了我們的彈性體作為 3D 結構直寫打印墨水的適用性。 .

為了研究材料分子的相互聯繫，蔡的團隊與美國能源部布魯克海文國家實驗室的光束線科學家紀堯姆·弗雷切特和米哈伊爾·熱南科夫合作。他們使用NATIONAL SYNCHROTRON LIGHT SOURCE II的精密X射線工具（尤其是軟材料界面光束線）進行實驗，在不損壞樣品的情況下揭示打印材料的內部成分。

SMI 光束線非常適合此類研究，因為它具有高 X 射線光束強度、出色的能量和動量傳遞可調性以及非常低的背景。 Zhernenkov 說，與蔡的團隊合作，我們能夠看到像瓶刷這樣的聚合物如何組裝交聯網絡。