Matériaux de changement de forme réversibles à impression 4-D avec motifs en niveaux de gris à base de lumière

Anonim

Le changement de forme réversible est une propriété hautement souhaitable pour de nombreuses applications biomédicales, y compris les actionneurs mécaniques, la robotique douce et les muscles artificiels. Certains matériaux peuvent changer de taille ou de forme lorsqu'ils sont irradiés de lumière, ce qui déclenche une déformation mécanique sans contact direct offrant des perspectives de contrôle à distance. Pour concevoir des structures de changement de forme réversibles (RSC), les matériaux actifs qui répondent à des stimuli externes tels que la lumière, la chaleur ou des champs électriques sont utilisés avec d'autres matériaux non actifs. Bien que l'impression 3D multi-matériaux avancée ait permis la conception et la fabrication de structures RSC, seuls des matériaux spécifiques peuvent être imprimés, ce qui limite leur utilisation.

Comme alternative, une méthode plus simple a récemment été présentée en utilisant le «modèle en niveaux de gris» pour contrôler la distribution d'intensité lumineuse d'un modèle projeté sur photopolymères ou résines activées par la lumière et induire une réticulation pour créer des structures origami 2D réversibles. Des intensités lumineuses différentes ont entraîné des densités de réticulation différentes dans les feuilles de polymère photodurcies. Dans une nouvelle étude, Qi et ses collaborateurs ont transféré le modèle en niveaux de gris pour une répartition contrôlée de l’intensité lumineuse d’une surface à deux dimensions à une impression en trois dimensions afin de structurer les structures RSC, couche par couche. Si les modèles en niveaux de gris étaient bien conçus, diverses structures à trois dimensions capables de se rétracter et de gonfler de manière réversible dans le temps (quatrième dimension) ont été rendues possibles. Les résultats sont maintenant publiés dans Multifunctional Materials, IOP Science.

À titre de preuve de principe, l’étude a utilisé une imprimante DLP (traitement numérique de la lumière) pour une impression 4-D en niveaux de gris avec une source de lumière UV pour imprimer un polymère de résine photodurcissable composé de diacrylate de polyéthylène glycol et de méthacrylate de butyle. (BMA), acrylate de butyle (BA), photoamorceurs et photoabsorbants. La structure d'intérêt a d'abord été conçue et découpée en images correspondant à chaque couche d'impression. L'échelle de gris conçue pour chaque image à différentes positions spatiales a été traitée avec Matlab et transmise au projecteur UV pour impression. Le principe de la fabrication des matériaux était basé sur une irradiation par la lumière pour un durcissement photoinduit de la solution de résine liquide. Le produit d'ingénierie était une structure avec diverses densités de réticulation à différentes positions spatiales pour permettre des changements de forme réversibles.

Lorsque la structure imprimée a été immergée dans un bain-marie, un processus connu sous le nom de désolvatation a commencé, sous forme de petits oligomères dans le matériau réticulé dissemblable diffusant hors de la structure, permettant à la structure imprimée de se déformer vers la partie moins durcie. Sur la base de la conception des motifs en niveaux de gris, diverses structures auto-repliables ont été formées par déformation induite par la désolvatation.

Le changement de forme était réversible et relativement rapide dans une solution d'acétone; Les structures ont absorbé le solvant pour gonfler et retrouver sa forme initiale tout en restant en solution. La structure récupérée se plierait à nouveau lors de son retrait de l’acétone, renversant sa structure secondaire dans l’air.

En principe, la valeur d'échelle de gris de chaque pixel de l'image découpée contrôlait l'intensité lumineuse ou la dose de lumière, ce qui influençait la conversion finale du matériau pendant l'impression. Le processus a été numérisé pour contrôler avec précision le modèle en niveaux de gris et la construction résultante. Les matériaux nouvellement développés ont été caractérisés par ATR-FTIR (spectroscopie atténuée par réflexion infrarouge à transformée de Fourier) pour mesurer le degré de durcissement de l'échantillon photopolymérisé, puis quantifier le module afin de tester la rigidité du matériau et la réaction de photo-curation. cinétique et quantification de la désolvatation par rapport à la récupération.

Les structures actives qui changent de forme ou fonctionnent de manière réversible en réponse à des stimuli externes ont des applications dans les domaines de l'ingénierie aérospatiale, des dispositifs médicaux et de l'électronique flexible en tant que polymères à mémoire de forme. Les structures auto-expansibles / rétractables sont utiles en tant qu'actionneurs légers et pour des applications en tant que stents endovasculaires. De telles conceptions ont également été conçues dans le cadre de l’étude en tant que matériaux auto-expansibles / rétractables utilisant la méthode d’impression 4-D en niveaux de gris. Le temps de transformation a varié entre 6 minutes dans l'acétone et 25 minutes dans l'air. Le concept a ensuite été étendu d'une surface plane à une forme de cube en utilisant la même méthode, le temps de récupération dans l'acétone était d'environ 4 minutes et le temps de séchage dans l'air était de 8 minutes. En utilisant le même concept, Wu et al. a également créé une structure en forme de fleur à rétrécir en solution et à fleurir dans l'air.

Les chercheurs ont en outre mis au point des structures ou métamatériaux auxétiques avancés (ayant intrinsèquement un coefficient de Poisson négatif) combinés à des matériaux normaux (coefficient de Poisson positif) utilisant la technique d’impression pour créer une transformation entre les deux.

La méthode d’impression 4-D en niveaux de gris a été conçue comme une preuve de principe pour fournir une technique simple et économique pour créer des structures actives. Les auteurs proposent une gamme d'applications biomédicales potentielles pour les matériaux d'ingénierie en tant que matériaux composites dans la robotique douce et les endoprothèses endovasculaires.

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