Революция в биомедицинской инженерии: 4D-печать умных электромеханических материалов

Университет Карлос III Мадрида, Испания

Новый умный принтер позволяет производить мягкие многофункциональные материалы, непрерывно адаптируя параметры экструзии. Комбинируя экспериментальные и вычислительные методы, он печатает проводящие и магнитоактивные материалы с механическими свойствами, имитирующими биологические ткани. (Изображение: UC3M)

Исследователи Университета Карлос III Мадрида (UC3M) создали программное и аппаратное обеспечение для 4D-принтера с применениями в биомедицинской сфере. Помимо 3D-печати, этот станок позволяет контролировать дополнительные функции: программировать ответ материала так, чтобы изменение формы происходило под воздействием внешнего магнитного поля, или изменение его электрических свойств развивалось под механической деформацией.

Фокус на мягких многофункциональных структурах

Это направление фокусируется на разработке мягких многофункциональных структур, состоящих из материалов с механическими свойствами, имитирующими биологические ткани, такие как мозг или кожа. Кроме того, они могут менять форму или свойства при воздействии внешних стимулов, таких как магнитные поля или электрические токи.

Доселе эта команда исследователей достигла нескольких успехов в проектировании и производстве таких структур, но они были очень ограничены в плане дизайна формы и программирования интеллектуальных ответов. Работа, представленная в их последнем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials Technologies, открыла новые возможности за счет разработки новой методологии 4D-печати.

«Эта технология позволяет нам не только контролировать способ печати трехмерных структур, но и придавать им способность менять свои свойства или геометрию в ответ на внешние магнитные поля, или способность изменять свои электрические свойства при деформации», — объяснил один из исследователей, Даниэль Гарсиа Гонсалес, руководитель проекта ERC 4D-BIOMAP (GA 947723) и доцент департамента теории континуума и структур UC3M.

Сложность печати и решение

Этот тип печати сложен, так как материал при экструзии переходит из жидкого в твердое состояние. Необходимо понимать динамику материала, чтобы адаптировать производственный процесс и получить материал, достаточно жидкий при протекании через сопло принтера, но достаточно твердый для сохранения конкретной формы.

В этом celu они разработали интердисциплинарную методологию, объединяющую теоретические и экспериментальные техники, позволяющую построить печатное устройство с нуля, включая аппаратное и программное обеспечение.

Самовосстанавливающиеся материалы

Исследователи также разработали новую концепцию материала, способного автономно заживляться без внешнего воздействия. «Этот материал состоит из мягкой полимерной матрицы с встроенными магнитными частицами с остаточным полем. Для практических целей это как если бы у нас были маленькие магниты, распределенные в материале, так что, если он ломается, при сближении получившихся частей они физически соединяются, восстанавливая структурную целостность», — сказал Гонсалес.

Три типа функциональных материалов

Благодаря этим достижениям команда смогла напечатать три типа функциональных материалов: некоторые меняют форму и свойства в ответ на внешние магнитные поля; другие обладают самовосстанавливающейся способностью; третьи — их электрические свойства (проводимость) меняются в зависимости от формы или деформации.

Сочетание материалов с самовосстановлением и переменной электропроводностью при деформации открывает огромные возможности в разработке сенсоров и мягких роботов.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Фко. Хавьером Алонсо по адресу: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.; тел.: 916-249-035.