Att reparera och återanvända plast och leverera cancerläkemedel mer effektivt är bara två av många av de potentiella tillämpningar som en ny 3D-utskriftsteknik kan ha, tack vare det banbrytande arbetet med ett forskningssamarbete mellan UNSW Sydney och University of Auckland.

Forskarna har avslöjat den framgångsrika sammanslagningen av 3-D/4-D-utskrift och fotokontrollerad/levande polymerisering-en kemisk process för att skapa polymerer-i ett papper publicerat i Angewandte Chemie International Edition på fredag.

4-D-utskrift är en delmängd av 3D-utskrift där det utskrivna objektet kan omvandla sin form som svar på vissa förhållanden.

Den nya kontrollerade polymerisationsmetoden, där forskarna använde synligt ljus för att skapa en miljövänlig "levande" plast eller polymer, öppnar en ny värld av möjligheter för tillverkning av avancerade fasta material.

Polymerer kan vara syntetiska, som plast, såväl som biologiskt, till exempel, DNA.

Forskningen bygger på UNSW Sydney Boyer Labs upptäckt 2014 av PET-RAFT-polymerisation (fotoinducerad elektron/energiöverförings-reversibel additionsfragmenteringskedjaöverföringspolymerisering), ett nytt sätt att göra kontrollerade polymerer med synligt ljus, med användning av den Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) polymerisationsteknik som upptäckts av CSIRO (Graeme Moad, San Thang och Enzo Rizzard).

Sådana polymerer kan återaktiveras för ytterligare tillväxt, till skillnad från traditionella polymerer som är "döda" efter tillverkning.

Sedan denna utveckling har tekniken har expanderat och har visat sig vara användbar för att göra välkontrollerade molekyler för många applikationer, inklusive läkemedelsleverans och andra biomaterial.

Världens första upptäckt

Huvudförfattaren Cyrille Boyer sa att hans teams senaste genombrott var ett världsledande i utvecklingen av ett nytt 3D-utskriftssystem med PET-RAFT-polymerisation, så att 3D-tryckt material enkelt kan modifieras efter utskrift.

"Kontrollerad polymerisation har aldrig använts i 3D- och 4D-utskrift tidigare, eftersom hastigheterna på typiska kontrollerade polymerisationsprocesser är för långsamma för 3D-utskrift, där reaktionen måste vara snabb för praktiska utskriftshastigheter, "Sade Boyer.

"Efter två års forskning och hundratals experiment, Vi utvecklade en snabb process som är kompatibel med 3D-utskrift.

"Till skillnad från konventionell 3D-utskrift, vår nya metod för att använda synligt ljus gör att vi kan styra polymerernas arkitektur och justera de mekaniska egenskaperna hos de material som förbereds av vår process.

"Denna nya process ger oss också tillgång till 4-D-utskrift och gör att materialet kan transformeras eller funktionaliseras, vilket inte tidigare var möjligt. "

UNSW:s Nathaniel Corrigan, co-first author with UNSW Ph.D. kandidat Zhiheng Zhang, sa att en bonusfördel med deras nya system var förmågan att finstyra alla molekyler i 3D-tryckt material.

"4-D-utskrift är en delmängd av 3D-utskrift. Men med 4-D-utskrift, det 3D-tryckta objektet kan ändra form och kemiska eller fysiska egenskaper och anpassa sig till sin miljö, "Dr Corrigan sa.

"I vårt arbete, det 3D-tryckta materialet kan reversibelt ändra form när det utsattes för vatten och sedan torkades.

"Till exempel, 3D-objektet börjar som ett plant plan och när det utsätts för vissa förhållanden, det börjar vikas-det är ett 4-D-material. Så, den fjärde dimensionen är tid. "

Från att minska avfall till biomedicinska tillämpningar

Forskarna är hoppfulla att deras nya 3D-tryckprocess med PET-RAFT-polymerisation kommer att leda till produktion av funktionella material för att lösa många av de problem som samhället står inför idag.

Prof Boyer sa att den nya metoden hade en mängd applikationer för vardagliga föremål - särskilt om ett deformerat eller trasigt föremål behövde repareras eller modifieras.

"Huvudapplikationen är naturligtvis återvinning, för att istället för att använda ett plastföremål en gång, det kan repareras och återanvändas, " han sa.

"För vanlig återvinning tar du bort materialen och måste rekonstruera dem, men för det nya "levande" materialet kommer det att kunna reparera sig själv.

"Till exempel, om du vill sätta UNSW -logotypen på en mugg, du kan modifiera objektets yta och växa polymererna för att visa UNSW eftersom objektet inte är dött; det är ett levande föremål och kan fortsätta växa och expandera. "

Dr Corrigan sa att en annan stor fördel med den nya processen var dess kompatibilitet med biomedicin, eftersom extrema förhållanden var onödiga.

"Nuvarande 3D-utskriftsmetoder är vanligtvis begränsade av de hårda förhållanden som krävs, såsom starkt UV -ljus och giftiga kemikalier, som begränsar deras användning vid tillverkning av biomaterial, " han sa.

"Men med tillämpningen av PET-RAFT-polymerisation till 3D-utskrift, vi kan producera långa polymermolekyler med hjälp av synligt ljus snarare än värme, vilket är den typiska polymerisationsmetoden.

"Att använda värme över 40 grader dödar celler, men för synlig ljuspolymerisation kan vi använda rumstemperatur, så cellernas livskraft är mycket högre. "

Prof Boyer sa att objekt som gjorts genom denna nya process lättare kunde användas i avancerade bioapplikationer, såsom vävnadsteknik, till exempel, där en vävnadsstruktur används för att bilda nytt, livskraftig vävnad för medicinska ändamål.

"Vår nya metod är inriktad på småskaliga, nischapplikationer inom områden som mikroelektronik och biomedicin - ett stort område för oss - som kräver mycket avancerade polymerer, " han sa.

3-D och 4-D-utskrift för alla

Prof Boyer sa att deras nya teknik skulle göra det möjligt för kommersiella och icke-expertoperatörer att producera material med till synes oändliga egenskaper och applikationer.

"Vi vill utforska vårt system för att hitta och hantera eventuella begränsningar för att möjliggöra bättre upptag och implementering av denna teknik, " han sa.

"Det finns så mycket vi kan göra genom att kombinera 3-D och 4-D-utskrift med kontrollerad polymerisation för att göra avancerade och funktionella material för många tillämpningar som gynnar samhället."