3D Stampa di Attuatori Idrogel Attivati dalla Luce
Innovazione nella Stampa 3D di Idrogeli
Un team internazionale di ricercatori ha incorporato nanorods d’oro in idrogel che possono essere elaborati tramite stampa 3D per creare strutture che si contraggono quando esposte alla luce e si espandono di nuovo quando la luce viene rimossa. Poiché questa espansione e contrazione possono essere eseguite ripetutamente, le strutture stampate in 3D possono fungere da attuatori controllati a distanza.
Sfruttamento delle Proprietà Fotoresponsive degli Idrogeli
“Eravamo consapevoli che fosse possibile stampare in 3D idrogel che si contraggono quando riscaldati,” afferma Joe Tracy, co-autore corrispondente dell’articolo e professore di scienza dei materiali e ingegneria presso la North Carolina State University. “E sapevamo che era possibile incorporare nanorods d’oro in idrogeli per renderli fotoresponsivi, cioè capaci di contrarsi in modo reversibile quando esposti alla luce.”
Idrogeli e Soluzione di Stampa 3D
Gli idrogeli sono reti polimeriche che contengono acqua, presenti in prodotti come le lenti a contatto e i materiali assorbenti nei pannolini. I ricercatori non hanno stampato direttamente un idrogel con la stampante 3D, ma una soluzione contenente nanorods d’oro e tutti gli ingredienti necessari per creare un idrogel.
“Quando questa soluzione stampata viene esposta alla luce, i polimeri nella soluzione formano una struttura molecolare reticolata,” spiega Julian Thiele, co-autore corrispondente dell’articolo e cattedra di chimica organica presso l’Università Otto von Guericke di Magdeburgo. “Questo trasforma la soluzione in un idrogel, con i nanorods d’oro intrappolati distribuiti in tutto il materiale.”
Tecnica di Stampa Innovativa
Poiché la soluzione pre-idrogel che esce dalla stampante 3D ha una viscosità molto bassa, non può essere stampata su un substrato normale. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno stampato la soluzione in una sospensione traslucida di microparticelle di gelatina in acqua. L’ugello della stampante può penetrare nella sospensione di gelatina e stampare la soluzione nella forma desiderata. Poiché la gelatina è traslucida, la luce può penetrare nella matrice, convertendo la soluzione in un idrogel solido. Una volta fatto questo, l’intera struttura viene posta in acqua calda, sciogliendo la gelatina e lasciando dietro la struttura idrogel 3D.
Funzionamento e Applicazioni degli Idrogeli
Quando queste strutture idrogel sono esposte alla luce, i nanorods d’oro incorporati convertono la luce in calore, causando la contrazione dei polimeri nell’idrogel, spingendo l’acqua fuori dall’idrogel e restringendo la struttura. Quando la luce viene rimossa, i polimeri si raffreddano e iniziano ad assorbire nuovamente acqua, espandendo la struttura idrogel alle dimensioni originali.
“Molti studi si sono concentrati sugli idrogeli che si contraggono quando esposti al calore,” afferma Melanie Ghelardini, primo autore dell’articolo ed ex dottoranda presso NC State. “Abbiamo ora dimostrato che è possibile fare lo stesso quando l’idrogel è esposto alla luce, consentendo di stampare in 3D questo materiale e di attivare le applicazioni in modo remoto tramite illuminazione.”
Libertà di Progettazione con la Stampa 3D
“Invece di applicare il convenzionale stampo di fusione, la stampa 3D delle strutture idrogel offre una libertà di progettazione quasi illimitata,” afferma Thiele. “Permette inoltre la programmazione anticipata di movimenti distinti durante la contrazione e l’espansione attivate dalla luce del nostro materiale fotoresponsivo.”
Pubblicazione e Supporto alla Ricerca
L’articolo, “3D-Printed Hydrogels as Photothermal Actuators,” è pubblicato sulla rivista ad accesso aperto Polymers. L’articolo è co-autore di Jameson Hankwitz, ex studente laureato presso NC State; Martin Geisler, Niclas Weigel, Nicolas Hauck e Jonas Schubert dell’Istituto Leibniz per la Ricerca sui Polimeri di Dresda; e Andreas Fery dell’Istituto Leibniz per la Ricerca sui Polimeri di Dresda e dell’Università Tecnica di Dresda.
Sostegno alla Ricerca
Questa ricerca è stata supportata dalla National Science Foundation, sotto il grant 1803785; dalla German Research Foundation (DFG) Research Training Schools 1865: Hydrogel-based microsystems e 2767, sotto il numero di progetto 451785257; dalla Alexander von Humboldt Foundation; dal Dresden Center for Intelligent Materials; e dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea, sotto il grant 852065.
Informazioni sulla Rivista
Polymers pubblica studi sperimentali significativi e attuali nella ricerca applicata ai polimeri.
