Un elastomero scovolino “BOTTLEBRUSH” stampabile in 3D con morbidezza ed elasticità simili a quelle del tessuto umano

I RICERCATORI DELLA UC SANTA BARBARA SVILUPPANO IL PRIMO ELASTOMERO STAMPABILE IN 3D “BOTTLEBRUSH”

I ricercatori dell’Università della California a Santa Barbara (UC Santa Barbara) hanno sviluppato un elastomero “BOTTLEBRUSH” stampabile in 3D con morbidezza ed elasticità simili a quelle del tessuto umano.

I ricercatori post-dottorato Renxuan Xie e Sanjoy Mukherjee si sono imbattuti per caso nel nuovo elastomero mentre cercavano di sviluppare un materiale per un progetto diverso. Dopo aver osservato le sue proprietà super morbide e di tenuta della forma, si sono resi conto che potevano stampare in 3D l’elastomero utilizzando la scrittura diretta a inchiostro (DIW) per creare inchiostri, prima di riportare l’elastomero alla sua forma solida applicando la luce UV.

Secondo Xie e Mukherjee, la possibilità di stampare in 3D gli elastomeri BOTTLEBRUSH consente di sfruttare le loro proprietà meccaniche uniche per applicazioni come tessuti biomimetici e dispositivi elettronici ad alta sensibilità come touch pad, sensori e attuatori, che richiedono uno stretto controllo sull’oggetto dimensioni.

Christopher Bates, assistente professore presso l’UC Santa Barbara e capo del laboratorio, ha detto della scoperta accidentale:

“QUANDO ABBIAMO VISTO QUESTO STRESS DAVVERO BEN DEFINITO, TUTTI INSIEME SI SONO RESI CONTO CHE AVREMMO POTUTO STAMPARLO IN 3D, E SAREBBE BELLO, PERCHÉ NESSUNO DEI MATERIALI STAMPABILI IN 3D CHE CONOSCIAMO HA QUESTA PROPRIETÀ SUPER MORBIDA.”

L’unicità degli elastomeri BOTTLEBRUSH

I polimeri BOTTLEBRUSH sono in circolazione da più di due decenni e differiscono dagli elastomeri convenzionali, o gomme, per la loro struttura. Mentre gli elastomeri convenzionali sono più rigidi di molti tessuti biologici poiché sono costituiti da molecole lineari lunghe e intrecciate, i polimeri BOTTLEBRUSH ( sembrano dei scovolini per bottiglia infatti ) hanno polimeri aggiuntivi attaccati alla loro spina dorsale lineare. Questa struttura è simile a quella di uno scovolino che si può trovare in una cucina, da cui il nome, e consente al polimero di formare elastomeri estremamente morbidi.

Per quanto ne sanno i ricercatori, nonostante siano in circolazione da anni, i polimeri per scovolini non sono stati stampati in 3D prima, rendendo il nuovo materiale di UC Santa Barbara ancora più unico.

“Il campo è esploso negli ultimi dieci anni grazie ai progressi nella chimica sintetica che forniscono un controllo eccellente sulle dimensioni e sulla forma di queste molecole uniche”, ha continuato Bates. “Questi elastomeri super morbidi potrebbero essere applicabili come impianti. Potresti essere in grado di ridurre l’infiammazione e il rigetto da parte del corpo se le proprietà meccaniche di un impianto corrispondono al tessuto nativo “.

Polimeri morbidi e flessibili sono stati precedentemente utilizzati nello sviluppo di impianti stampati in 3D, un esempio dei quali è la produzione di un impianto neurale morbido da parte dei ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) che si conforma ai contorni del cervello per monitorare l’attività lunghi periodi di tempo. L’uso di elettronica polimerica flessibile stampata in 3D può potenzialmente fornire un’alternativa più morbida, più sicura e più veloce agli impianti esistenti a base di metallo.

Altrove, materiali morbidi ed elettronica sono stati anche combinati per sviluppare un prototipo di impianto neurale stampato in 3D con il potenziale per trattare lesioni del sistema nervoso, come la paralisi, e nella creazione di un biosensore stampato in 3D per il monitoraggio wireless del flusso sanguigno. I materiali di stampa 3D a base di polimeri morbidi sono utilizzati anche nel settore dentale per la produzione di allineatori trasparenti, protesi flessibili e corone.

La scoperta iniziale era incentrata sull’autoassemblaggio di polimeri per scovolini su scala nanometrica. Classificato come fluido stressante, il materiale inizia come un solido semi-morbido che mantiene la sua forma, simile al burro, ma si liquefa una volta applicata una pressione sufficiente. Ciò significava che i ricercatori potevano stampare il materiale sotto forma di inchiostro tramite un processo di stampa 3D DIW.

Poiché il materiale è in grado di mantenere la sua forma per ore, può essere regolato per fluire sotto varie quantità di pressione, come quando sono presenti vibrazioni, per adattarsi alle condizioni di lavorazione desiderate senza influire sulla stabilità strutturale della parte stampata. Una volta stampato l’oggetto, i ricercatori lo hanno esposto alla luce UV per attivare i reticolanti all’interno della formulazione dell’inchiostro. Questi reticolanti collegano i polimeri dello scovolino per formare un elastomero super morbido che diventa un solido permanente, il che significa che non si liquefà più sotto pressione.

Xie ha spiegato: “Iniziamo con polimeri lunghi che non sono reticolati. Ciò consente loro di fluire come un fluido. Ma, dopo aver puntato la luce su di loro, le piccole molecole tra le catene polimeriche reagiscono e sono collegate tra loro in una rete, in modo da avere un solido, un elastomero che, una volta allungato, tornerà alla sua forma originale “.

La morbidezza di un materiale si misura in termini di modulo – in sostanza, quanto facilmente si allunga – e per la maggior parte degli elastomeri questo può essere paragonato a quello di un elastico. Il materiale di Xie e Mukherjee vanta un modulo mille volte più piccolo di quello di un elastico, il che significa che è estremamente morbido ed elastico. Infatti, l’elastomero dello scovolino può essere allungato da tre a quattro volte la sua lunghezza.

Un altro fattore che rende unico il materiale dei ricercatori è che non contiene acqua o altri solventi per renderlo artificialmente più morbido. I polimeri convenzionali fanno affidamento sul contenere la giusta quantità di acqua per mantenere le loro strutture, tuttavia l’elastomero della spazzola per bottiglie è tutto solido, quindi la sua forma non cambierà.

“Le persone spesso aggiungono solvente per fluidificare un solido in modo che possa essere spremuto da un ugello”, ha aggiunto Xie. “Ma se si aggiunge solvente, deve evaporare dopo la stampa, provocando la modifica o la rottura dell’oggetto.”

I ricercatori ritengono che il processo di produzione senza solventi sia particolarmente vantaggioso per consentire al processo di stampa di essere il più pulito e semplice possibile. Il materiale risultante “sembra molto simile al tessuto umano” e ha una varietà di potenziali applicazioni all’interno dei tessuti biomimetici e dell’elettronica ad alta sensibilità.

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