Forskare i Christopher Bates labb, en biträdande professor i material vid UC Santa Barbara, och Michael Chabinyc, en professor i material och ordförande för institutionen, har gått samman för att utveckla den första 3D-utskrivbara "flaskborste"-elastomeren. Det nya materialet resulterar i tryckta föremål som har ovanlig mjukhet och elasticitet - mekaniska egenskaper som liknar mänsklig vävnads.

Konventionella elastomerer, dvs gummin, är styvare än många biologiska vävnader. Det beror på storleken och formen på deras ingående polymerer, som är långa, linjära molekyler som lätt trasslar in sig som kokt spagetti. I kontrast, flaskborstepolymerer har ytterligare polymerer fästa vid den linjära ryggraden, leder till en struktur som mer liknar en flaskborste du kan hitta i ditt kök. Flaskborstens polymerstruktur ger förmågan att bilda extremt mjuka elastomerer.

Möjligheten att 3-D-printa flaskborstelastomerer gör det möjligt att utnyttja dessa unika mekaniska egenskaper i applikationer som kräver noggrann kontroll över dimensionerna på föremål, allt från biomimetisk vävnad till högkänsliga elektroniska enheter, som pekplattor, sensorer och ställdon.

Två postdoktorala forskare - Renxuan Xie och Sanjoy Mukherjee - spelade nyckelroller i utvecklingen av det nya materialet. Deras resultat publicerades i tidskriften Vetenskapens framsteg.

Xies och Mukherjees nyckelupptäckt involverar självmontering av flaskborstepolymerer på nanometerskalan, vilket orsakar en fast-till-vätska-övergång som svar på applicerat tryck. Detta material kategoriseras som en flytningsspänningsvätska, vilket betyder att det börjar som en halvmjuk fast substans som håller sin form, som smör eller tandkräm, men när tillräckligt tryck appliceras, det blir flytande och kan pressas genom en spruta. Teamet utnyttjar den här egenskapen för att skapa bläck i en 3D-utskriftsprocess som kallas direkt bläckskrivning (DIW).

Forskarna kan ställa in materialet så att det flyter under olika mängder tryck för att matcha de önskade bearbetningsförhållandena. "Till exempel, kanske du vill att polymeren ska hålla sin form under en annan stressnivå, som när vibrationer förekommer, " säger Xie. "Vårt material kan hålla sin form i timmar. Det är viktigt, för om materialet sjunker under utskrift, den tryckta delen kommer att ha dålig strukturell stabilitet."

När objektet är utskrivet, UV-ljus lyser på den för att aktivera tvärbindare som Mukherjee syntetiserade och inkluderade som en del av bläckformuleringen. Tvärbindarna kan koppla ihop närliggande flaskborstepolymerer, vilket resulterar i en supermjuk elastomer. Vid det tillfället, materialet blir ett permanent fast ämne – det kommer inte längre att smälta under tryck – och uppvisar extraordinära egenskaper.

"Vi börjar med långa polymerer som inte är tvärbundna, " sa Xie. "Det gör att de kan flöda som en vätska. Men, efter att du lyser ljuset på dem, de små molekylerna mellan polymerkedjorna reagerar och binds samman till ett nätverk, så du har en solid, en elastomer som, när det sträcks, kommer att återgå till sin ursprungliga form."

Mjukheten hos ett material mäts i termer av dess modul, och för de flesta elastomerer, det är ganska högt, vilket betyder att deras styvhet och elasticitet liknar dem hos ett gummiband. "Modulen för vårt material är tusen gånger mindre än för ett gummiband, " Xie noterar. "Den är supermjuk – den känns väldigt mycket som mänsklig vävnad – och väldigt stretchig. Den kan sträcka sig ungefär tre till fyra gånger sin längd."

En oavsiktlig bläck

Mukherjee upptäckte materialet av en slump, medan du försöker utveckla ett material för ett annat projekt, en som skulle öka mängden laddning som kan lagras av ett ställdon. När elastomeren kom till Xie för karakterisering, han visste direkt att det var speciellt. "Jag såg direkt att det var annorlunda, eftersom den kunde hålla sin form så bra, " mindes han.

"När vi såg denna riktigt väldefinierade avkastningsstress, det gick upp för alla kollektivt att vi kunde 3-D-printa det, " sa Bates, "och det skulle vara coolt, eftersom inget av de 3D-utskrivbara materialen vi känner till har denna supermjuka egenskap."

Flaskborstepolymerer har funnits i mer än tjugo år. Men, Bates sa, "Fältet har exploderat under de senaste tio åren tack vare framsteg inom syntetisk kemi som ger utsökt kontroll över storleken och formen på dessa unika molekyler.

"Dessa supermjuka elastomerer kan användas som implantat, ", tillade han. "Du kanske kan minska inflammation och avstötning av kroppen om de mekaniska egenskaperna hos ett implantat matchar inhemsk vävnad."

En annan viktig del av det nya materialet är att det är ren polymer, Chabinyc noterade.

"Det finns inget vatten eller annat lösningsmedel i dem för att på konstgjord väg göra dem mjukare, " han sa.

För att förstå vikten av att inte ha något vatten i polymeren, det är bra att tänka på Jell-O, som mestadels är vatten och kan hålla sin form, men bara så länge vattnet är kvar inne. "Om vattnet försvann, då skulle du bara ha en formlös hög med material, " sa Chabinyc. "Med en konventionell polymer, du måste ta reda på hur man håller rätt mängd vatten i den för att behålla sin struktur, men det här nya materialet är helt fast, så det kommer aldrig att förändras."

Dessutom, det nya materialet kan 3D-printas och bearbetas utan lösningsmedel, vilket också är ovanligt. "Människor tillsätter ofta lösningsmedel för att göra ett fast ämne till flytande så att det kan pressas ut ur ett munstycke, sa Xie, "men om du tillsätter lösningsmedel, det måste avdunsta efter utskrift vilket gör att föremålet ändrar form eller spricker."

Mukherjee lade till, "Vi ville att materialet och tryckprocessen skulle vara så ren och så enkel som möjligt, så vi spelade ett kemitrick med löslighet och självmontering, vilket möjliggjorde den lösningsmedelsfria processen. Det faktum att vi inte använder lösningsmedel är en enorm fördel."