Reversibel formförändring är en mycket önskvärd egenskap för många biomedicinska tillämpningar, inklusive mekaniska ställdon, mjuk robotik och konstgjorda muskler. Vissa material kan ändra storlek eller form när de bestrålas med ljus, utlöser mekanisk deformation utan direktkontakt vilket ger möjlighet till fjärrstyrning. För att konstruera reversibel, formförändrande (RSC) strukturer – aktiva material som svarar på yttre stimuli som ljus, värme eller elektriska fält används tillsammans med andra icke-aktiva material. Även om avancerad 3D-utskrift av flera material har möjliggjort design och tillverkning av RSC-strukturer, endast specifika material kan skrivas ut, begränsar bred användning.

Som ett alternativ, en enklare metod presenterades nyligen med "gråskalemönster" för att kontrollera ljusintensitetsfördelningen av ett projicerat mönster på fotopolymerer eller ljusaktiverade hartser och inducera tvärbindning för att skapa reversibel, självvikande och utvikbara 2D-origamistrukturer. Olika ljusintensiteter resulterade i olika tvärbindningsdensiteter inom de fotohärdade polymerarken. I en ny studie, Qi och medarbetare överförde gråskalemönstret för kontrollerad ljusintensitetsfördelning från en 2D-yta till 3D-utskrift till att konstruera RSC-strukturer lager för lager. Om gråskalemönstren var väl utformade, en mängd olika 3D-strukturer med förmågan att krympa och svälla reversibelt i tid (fjärde dimensionen) för 4D-beteende möjliggjordes. Resultaten är nu publicerade i Multifunktionella material , IOP Vetenskap.

Som ett principbevis, studien använde en digital ljusbearbetningsskrivare (DLP) för gråskala 4-D-utskrift med en UV-projektorljuskälla för att skriva ut en fotohärdbar flytande hartspolymer sammansatt av poly(etylenglykol)diakrylat (PEGDA), butylmetakrylat (BMA), butylakrylat (BA), fotoinitiatorer och fotoabsorbatorer. Strukturen av intresse designades först och skars upp i bilder som motsvarar varje trycklager. Den designade gråskalan för varje bild vid olika rumsliga positioner bearbetades med Matlab och skickades till UV-projektorn för utskrift. Principen för materialtillverkning baserades på ljusbestrålning för fotoinducerad härdning av den flytande hartslösningen. Den konstruerade produkten var en struktur med olika tvärbindningsdensiteter vid olika rumsliga positioner för att möjliggöra reversibla formförändringar.

När den tryckta strukturen nedsänktes i ett vattenbad, en process känd som desolvation började, som små oligomerer i det olikt tvärbundna materialet som diffunderar ut ur strukturen, tillåta den tryckta strukturen att deformeras mot den mindre härdade delen. Baserat på designen av gråskalemönster, en mängd olika självvikningsstrukturer bildades via desolvatiseringsinducerad deformation.

Formförändringen var reversibel och relativt snabb i en lösning av aceton; strukturer absorberade lösningsmedlet för att svälla och återställa sin ursprungliga form medan de fortfarande var i lösning. Den återvunna strukturen skulle böjas igen vid avlägsnande från aceton, vänder till sin sekundära struktur i luften.

I princip, gråskalevärdet för varje pixel i den skivade bilden styrde ljusintensiteten eller ljusdosen, vilket påverkade den slutliga omvandlingen av materialet under tryckningen. Processen digitaliserades för att exakt kontrollera gråskalemönstret och den resulterande konstruktionen. Nyutvecklade material karakteriserades med hjälp av ATR-FTIR (attenuerad total reflektion-Fourier transform infraröd spektroskopi) för att mäta graden av härdning (DoC) av det fotopolymeriserade provet, följt av att kvantifiera ungarnas modul för att testa materialstyvhet, fotohärdande reaktionskinetik och kvantifiering av desolvation vs. återhämtning.

Aktiva strukturer som ändrar form eller fungerar reversibelt som svar på yttre stimuli har tillämpningar inom flygteknik, medicinsk utrustning och flexibel elektronik som formminnespolymerer. Självexpanderande/krympande strukturer är användbara som lätta manöverdon och för tillämpningar som endovaskulära stentar. Sådana konstruktioner konstruerades också i studien som självexpanderande/krympande material med användning av gråskala 4-D-utskriftsmetoden. Tiden för omvandling varierade mellan 6 minuter i aceton och 25 minuter i luft. Konceptet utökades sedan från en plan yta till en kubform med samma metod, återhämtningstiden i aceton var ca 4 min och torktiden i luft var 8 min. Genom att använda samma koncept Wu et al. skapade också en blomliknande struktur för att krympa i lösning och blomma i luft.

Forskarna utvecklade dessutom avancerade auxetiska strukturer eller metamaterial (som i sig har ett negativt Poisson-förhållande) kombinerat med normala material (positivt Poisson-förhållande) med hjälp av trycktekniken, att konstruera transformation mellan de två.

Gråskala 4-D-utskriftsmetoden utvecklades som ett proof-of-princip för att tillhandahålla en enkel och ekonomisk teknik för att skapa aktiva strukturer. Författarna föreslår en rad potentiella biomedicinska tillämpningar för de konstruerade materialen som kompositmaterial i mjuk robotik och endovaskulära stentar.

© 2018 Phys.org