Исследователи Мадридского университета имени Карлоса III (UC3M) создали программное и аппаратное обеспечение для 4D-принтера с приложениями в области биомедицины. Помимо 3D-печати, эта машина позволяет управлять дополнительными функциями: программировать отклик материала таким образом, чтобы происходило изменение формы под действием внешнего магнитного поля или развивались изменения его электрических свойств при механической деформации. Это открывает двери для разработки мягких роботов или интеллектуальных датчиков и подложек, которые передают сигналы в различные сотовые системы, помимо других приложений.
Это направление исследований направлено на разработку мягких многофункциональных структур, состоящих из материалов с механическими свойствами , имитирующими биологические ткани, такие как мозг или кожа. Кроме того, они способны изменять свою форму или свойства при воздействии внешних раздражителей , таких как магнитные поля или электрические токи .
До сих пор эта группа исследователей добилась нескольких успехов в проектировании и производстве этих структур, но они были очень ограничены с точки зрения дизайна формы и программирования интеллектуальных реакций. Работа, представленная в их последнем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials Technologies , позволила им открыть новые возможности, разработав новую методологию 4D-печати.
«Эта технология позволяет нам не только контролировать то, как мы печатаем трехмерные структуры, но и давать им возможность изменять свои свойства или геометрию в ответ на действие внешних магнитных полей, или возможность изменять свои электрические свойства при воздействии внешних магнитных полей. они деформируются», — объясняет один из исследователей, Даниэль Гарсия Гонсалес, руководитель проекта ERC 4D-BIOMAP (GA 947723) и доцент кафедры механики сплошных сред и теории структуры UC3M.
Этот тип печати сложен, так как экструдируемый материал переходит из жидкого состояния в твердое во время процесса печати . Поэтому необходимо понимать динамику материала, чтобы адаптировать производственный процесс и получить материал, который будет достаточно жидким при прохождении через сопло принтера, но в то же время достаточно твердым, чтобы сохранять определенную форму.
С этой целью они разработали междисциплинарную методологию, которая сочетает в себе теоретические и экспериментальные методы, позволяющие им создавать печатающее устройство с нуля, как физическую часть устройства (аппаратное обеспечение), так и компьютерные программы, позволяющие им управлять (программное обеспечение).
Самовосстанавливающийся материал
Согласно другой недавней публикации в журнале Composites Part B: Engineering, исследователи также разработали новую концепцию материала, который способен самостоятельно исцелять себя без необходимости внешнего воздействия . «Этот материал состоит из мягкой полимерной матрицы, в которую встроены магнитные частицы с остаточным полем. Для практических целей это как если бы у нас были маленькие магниты, распределенные в материале, так что, если он сломается, когда полученные части снова сблизятся , они физически соединятся, восстановив свою структурную целостность», — говорит Даниэль Гарсия Гонсалес.
Благодаря этим достижениям, которые привели к нескольким зарегистрированным патентам, эти ученые смогли печатать три типа функциональных материалов: некоторые из них меняют свою форму и свойства в ответ на внешние магнитные поля; другие со способностью к самовосстановлению; и другие, чьи электрические свойства (проводимость) варьируются в зависимости от их формы или деформации. С первым типом материала они разработали интеллектуальные субстраты для передачи сил и сигналов клеточным системам, чтобы они могли влиять на биологические процессы, такие как пролиферация или миграция клеток. Эти материалы также можно использовать для создания мягких роботов, производительность которых можно контролировать с помощью магнитных полей.
Комбинация материалов, обладающих способностью к самовосстановлению и электропроводность которых меняется в зависимости от деформации, открывает огромные возможности для разработки сенсоров. «Мы можем думать о датчиках, которые, прикрепленные к нашему телу, собирают информацию о наших движениях по изменениям электропроводности. Кроме того, способность материала к самовосстановлению позволяет создавать датчики с бинарными сигналами. Например, если бы у нас был травмы колена и необходимости ограничить вращение до максимального значения, мы можем наложить небольшую полосу из этого материала на наш сустав», — говорит Даниэль Гарсия Гонсалес.
«Таким образом, когда мы превысим это максимальное вращение, материал сломается, демонстрируя резкое изменение своих электрических свойств, тем самым обеспечивая предупреждающий сигнал. Однако, когда колено возвращается в расслабленное состояние, способность материала к заживлению приведет к восстановлению электрический сигнал. Так мы можем следить за своими движениями и предупреждать о рискованных состояниях после операции или в период реабилитации».
