4D-utskrift
4-dimensionell utskrift ( 4D-utskrift ; även känd som 4D-bioprinting , aktiv origami eller form-morphing-system ) använder samma tekniker som 3D-utskrift genom datorprogrammerad avsättning av material i på varandra följande lager för att skapa ett tredimensionellt objekt. Men i 4D-utskrift kan den resulterande 3D-formen förvandlas till olika former som svar på miljöstimulans, där den fjärde dimensionen är den tidsberoende formändringen efter utskriften. Det är därför en typ av programmerbar materia , där den tryckta produkten efter tillverkningsprocessen reagerar med parametrar i omgivningen (fuktighet, temperatur, spänning, etc.) och ändrar sin form därefter.
Trycktekniker
Stereolitografi är en 3D-utskriftsteknik som använder fotopolymerisation för att binda substrat som har lagts lager på lager, vilket skapar ett polymert nätverk. Till skillnad från fused-deposition-modellering, där det extruderade materialet härdar omedelbart för att bilda skikt, är 4D-utskrift i grunden baserad på stereolitografi, där ultraviolett ljus i de flesta fall används för att härda de skiktade materialen efter att tryckprocessen har avslutats. Anisotropi är avgörande för att konstruera riktningen och storleken på transformationer under ett givet tillstånd, genom att arrangera mikromaterialen på ett sätt så att det finns en inbäddad riktning i det färdiga trycket.
Fiberarkitektur
De flesta 4D-utskriftssystem använder ett nätverk av fibrer som varierar i storlek och materialegenskaper. 4D-printade komponenter kan utformas på såväl makroskalan som mikroskalan. Design i mikroskala uppnås genom komplexa molekylära/fibersimuleringar som approximerar de aggregerade materialegenskaperna för alla material som används i provet. Storleken, formen, modulen och anslutningsmönstret för dessa materialbyggstenar har ett direkt samband med deformationsformen under stimulansaktivering.
Hydro-reaktiva polymerer/hydrogeler
Skylar Tibbits är chef för Self-Assembly Lab vid MIT och arbetade med Stratasys Materials Group för att producera en kompositpolymer som består av mycket hydrofila element och icke-aktiva, mycket styva element. De unika egenskaperna hos dessa två disparata element tillät upp till 150 % svällning av vissa delar av den tryckta kedjan i vatten, medan de stela elementen sätter struktur- och vinkelbegränsningar för den transformerade kedjan. De producerade en kedja som skulle stava "MIT" när den var nedsänkt i vatten, och en annan kedja som skulle förvandlas till en trådramskub när den utsattes för samma förhållanden.
Cellulosakompositer
Thiele et al. undersökt möjligheterna med ett cellulosabaserat material som kan vara känsligt för fukt. De utvecklade en dubbelskiktsfilm med användning av cellulosastearoylestrar med olika substitutionsgrader på båda sidor. En ester hade en substitutionsgrad på 0,3 (mycket hydrofil ) och den andra hade en substitutionsgrad på 3 (mycket hydrofob .) När provet kyldes från 50 °C till 22 °C och den relativa luftfuktigheten ökade från 5,9 % till 35 %, drog den hydrofoba sidan ihop och den hydrofila sidan svällde, vilket fick provet att rulla ihop tätt. Denna process är reversibel, eftersom förändringar i temperatur och fuktighet fick provet att rullas ut igen.
Förståelse av anisotrop svullnad och kartläggning av inriktningen av tryckta fibriller tillät A. Sydney Gladman et al . att efterlikna växternas nastiska beteende. Grenar, stjälkar, högblad och blommor reagerar på miljöstimuli som fukt, ljus och beröring genom att variera den inre turgorn i deras cellväggar och vävnadssammansättning. Med prejudikat från detta utvecklade teamet en sammansatt hydrogelarkitektur med lokalt anisotropt svällningsbeteende som efterliknar strukturen hos en typisk cellvägg. Cellulosafibriller kombineras under tryckprocessen till mikrofibriller med ett högt bildförhållande (~100) och en elasticitetsmodul på skalan 100 GPa. Dessa mikrofibriller är inbäddade i en mjuk akrylamidmatris för struktur.
Det viskoelastiska bläcket som används för att trycka denna hydrogelkomposit är en vattenlösning av N,N-dimetylakrylamid, nanolera, glukosoxidas, glukos och nanofibrillerad cellulosa. Nanoleran är ett reologiskt hjälpmedel som förbättrar vätskeflödet, och glukosen förhindrar syrehämning när materialet härdas med ultraviolett ljus. Genom att experimentera med detta bläck skapade teamet en teoretisk modell för en utskriftsbana som dikterar orienteringen av cellulosafibriller, där det nedre lagret av trycket är parallellt med x-axeln och det översta lagret av trycket roteras moturs med en vinkel θ. Provets krökning är beroende av elasticitetsmoduler, svällningsförhållanden och förhållandet mellan skikttjocklek och dubbelskiktstjocklek. Således är de justerade modellerna som beskriver medelkurvatur och Gaussisk krökning resp.
och
Gladman et al. fann att när θ närmar sig 0°, närmar sig krökningen den klassiska Timosjenko-ekvationen och fungerar på samma sätt som en bimetallremsa . Men när θ närmar sig 90° förvandlas krökningen till en sadelform. Genom att förstå detta kunde teamet noggrant kontrollera effekterna av anisotropi och bryta symmetrilinjer för att skapa helikoider, rufsiga profiler och mer.
Termoreaktiva polymerer/hydrogeler
Poly(N-isopropylakrylamid) , eller pNIPAM , är ett vanligt använt termokänsligt material. En hydrogel av pNIPAM blir hydrofil och sväller i en vattenlösning på 32 °C, dess låga kritiska lösningstemperatur. Temperaturer över det börjar torka ut hydrogelen och får den att krympa, vilket uppnår formomvandling. Hydrogeler sammansatta av pNIPAM och någon annan polymer, såsom 4-hydroxibutylakrylat (4HBA,) uppvisar stark reversibilitet, där det inte finns någon formdeformation även efter 10 cykler av formförändring. Shannon E. Bakarich et al. skapat en ny typ av 4D-utskriftsbläck som består av joniska kovalenta entanglement hydrogeler som har en liknande struktur som standard dubbelnätverk hydrogeler. Det första polymernätverket är tvärbundet med metallkatjoner, medan det andra är tvärbundet med kovalenta bindningar. Denna hydrogel paras sedan ihop med ett pNIPAM-nätverk för härdning och termisk aktivering. I laboratorietester visade denna gel en formåterhämtning på 41 %-49 % när temperaturen ökade 20–60 °C (68–140 °F), och sedan återställdes till 20 °C. En vätskekontrollerande smart ventil tryckt av detta material har utformats för att stängas vid beröring av varmt vatten och öppnas vid beröring av kallt vatten. Ventilen hölls framgångsrikt öppen i kallt vatten och minskade flödet av varmvatten med 99 %. Denna nya typ av 4D-printad hydrogel är mer mekaniskt robust än andra termiskt aktiverande hydrogeler och visar potential i applikationer som självmonterande strukturer, medicinsk teknik, mjuk robotik och sensorteknik.
Digital Shape-Memory Polymers
Formminnespolymerer (SMP) kan återställa sin ursprungliga form från en deformerad form under vissa omständigheter, till exempel när de utsätts för en temperatur under en tidsperiod. Beroende på polymeren kan det finnas en mängd olika konfigurationer som materialet kan anta under ett antal temperaturförhållanden. Digitala SMP:er använder 3D-utskriftsteknik för att exakt konstruera placeringen, geometrin och blandnings- och härdningsförhållandena för SMP:er med olika egenskaper, såsom glasövergångstemperaturer eller kristallsmältningstemperaturer. Yiqi Mao et al . använde detta för att skapa en serie digitala SMP-gångjärn som har olika föreskrivna termomekaniska och formminnesbeteenden, som ympas på stela, icke-aktiva material. Således kunde teamet utveckla ett självvikbart prov som kunde vikas utan att störa sig självt, och till och med låsa ihop sig för att skapa en mer robust struktur. Ett av projekten inkluderar en självvikbar låda modellerad efter en USPS-postlåda.
Qi Ge et al . designade digitala SMP:er baserade på beståndsdelar med varierande gummiliknande moduler och glasövergångstemperaturer med extremt höga felpåkänningar upp till 300 % större än befintliga tryckbara material. Detta gjorde det möjligt för dem att skapa en multimaterialgripare som kunde ta tag i och släppa ett föremål enligt en temperaturinmatning. De tjocka lederna var gjorda av SMP för robusthet, medan spetsarna på mikrogriparna kunde utformas separat för att rymma en säker kontakt för transportobjektet.
Stressavslappning
Stressavslappning i 4D-utskrift är en process där en materialsamling skapas under stress som blir "lagrad" i materialet. Denna spänning kan senare släppas, vilket orsakar en övergripande materialformförändring.
Termiska fotoreaktiva polymerer
Denna typ av polymeraktivering kan beskrivas som fotoinducerad spänningsavslappning .
Denna teknik drar fördel av temperaturdriven polymerböjning genom att exponera de önskade böjsömmarna för fokuserade remsor av intensivt ljus. Dessa böjsömmar är tryckta i ett tillstånd av stress men deformeras inte förrän de utsätts för ljus. Det aktiva medlet som framkallar böjning i materialet är värme som överförs av intensivt ljus. Själva materialet är tillverkat av kemiska fotoreaktiva polymerer. Dessa föreningar använder en polymerblandning kombinerad med en fotoinitiator för att skapa en amorf, kovalent tvärbunden polymer. Detta material formas till ark och belastas i spänning vinkelrätt mot det önskade böjvecket.
Materialet exponeras sedan för en specifik våglängd av ljus, när fotoinitiatorn förbrukas polymeriserar den den återstående blandningen, vilket inducerar fotoinitierad stressavslappning. Den del av materialet som exponeras för ljuset kan styras med stenciler för att skapa specifika böjningsmönster. Det är också möjligt att köra flera iterationer av denna process med samma materialprov med olika laddningsförhållanden eller stencilmasker för varje iteration. Den slutliga formen kommer att bero på ordningen och den resulterande formen för varje iteration.
Aktuella applikationer
Biomedicinsk
Dr. Lijie Grace Zhangs forskargrupp vid George Washington University skapade en ny typ av 4D-utskrivbar, fotohärdbar flytande harts . Detta harts är tillverkat av en förnybar sojabönolja epoxiderad akrylatförening som också är biokompatibel. Detta harts lägger till den lilla gruppen av 3D-utskrivbara hartser och är en av de få som är biokompatibla. Ett laser 3D-printat prov av detta harts utsattes för temperaturfluktuationer från -18 °C till 37 °C och uppvisade full återhämtning av sin ursprungliga form. Tryckta ställningar av detta material visade sig vara framgångsrika grunder för tillväxt av human benmärg mesenkymala stamceller ( hMSCs). Detta materials starka egenskaper av formminneseffekt och biokompatibilitet får forskare att tro att det starkt kommer att främja utvecklingen av biomedicinska byggnadsställningar. Denna forskningsartikel är en av de första som utforskar användningen av växtoljepolymerer som flytande hartser för stereolitografiproduktion i biomedicinska tillämpningar.
Forskarteam av Leonid Ionov (University of Bayreuth) har utvecklat en ny metod för att skriva ut formformande biokompatibla/biologiskt nedbrytbara hydrogeler med levande celler. Tillvägagångssättet tillåter tillverkning av ihåliga självvikbara rör med oöverträffad kontroll över deras diametrar och arkitekturer med hög upplösning. Tillvägagångssättets mångsidighet demonstreras genom att använda två olika biopolymerer (alginat och hyaluronsyra) och benmärgsstromaceller från mus. Genom att utnyttja parametrarna för utskrift och eftertryck kan man uppnå genomsnittliga inre rördiametrar så låga som 20 μm, vilket ännu inte är möjligt med andra befintliga bioutskriftsmetoder och är jämförbart med diametrarna på de minsta blodkärlen. Den föreslagna 4D bioprinting-processen har ingen negativ effekt på livsdugligheten hos de tryckta cellerna, och de självvikta hydrogelbaserade rören stödjer cellöverlevnad i minst 7 dagar utan någon minskning av cellviabiliteten. Följaktligen tillåter den presenterade 4D-bioprintningsstrategin tillverkning av dynamiskt omkonfigurerbara arkitekturer med inställbar funktionalitet och lyhördhet, styrd av valet av lämpliga material och celler.
Möjliga tillämpningar
Det finns vissa befintliga tekniker/tekniker som potentiellt skulle kunna tillämpas och justeras för 4D-utskrift.
Celldragkraft
Cell Traction Force (CTF) är en teknik där levande celler viker ihop och flyttar mikrostrukturer till sin designade form. Detta är möjligt genom sammandragningen som uppstår från aktinpolymerisation och aktomyosininteraktioner inom cellen. I naturliga processer reglerar CTF sårläkning, angiogenes , metastaser och inflammation . Takeuchi et al. ympade celler över två mikroplattor, och när glasstrukturen togs bort skulle cellerna överbrygga gapet över mikroplattan och sålunda initiera självvikning. Teamet kunde skapa kärlliknande geometrier och till och med högkapacitetsdodekaedrar med denna metod. Det finns spekulationer om att användningen av denna teknik för cellorigami kommer att leda till att designa och skriva ut en cellladdad struktur som kan efterlikna deras icke-syntetiska motsvarigheter efter att utskriftsprocessen har slutförts.
Elektriska och magnetiska smarta material
De elektriskt känsliga materialen som finns idag ändrar storlek och form beroende på intensiteten och/eller riktningen av ett externt elektriskt fält eller pålagd elektrisk ström. Polyanilin och polypyrrol (PPy) är särskilt bra ledande material och kan dopas med tetrafluorborat för att dra ihop sig och expandera under en elektrisk stimulans. En robot gjord av dessa material gjordes för att röra sig med hjälp av en elektrisk puls på 3V i 5 sekunder, vilket fick ett ben att sträcka sig, för att sedan ta bort stimulansen i 10 sekunder, vilket fick det andra benet att röra sig framåt. Forskning på kolnanorör , som är biokompatibla och mycket ledande, indikerar att en komposit gjord av kolnanorör och ett formminnesprov har en högre elektrisk ledningsförmåga och hastighet för elektroaktivt svar än vardera provet ensamt.
Formminneskompositstrukturer som innehåller mycket ledande metalliska ytskikt har också visat sig vara mycket elektriskt känsliga. På grund av sin höga elektriska ledningsförmåga som möjliggörs av en strömlös pläterad metallyta, kan dessa kompositer användas i elektriska anordningar för temperaturavkänning (om man använder en temperaturkänslig polymermatris med formminne), eller som elektriska säkerhetsanordningar. BQY Chan et al. tillverkade en avkänningsanordning för flera temperaturer med olika brytare utlösta vid olika temperaturer. Införandet av metallbeläggningen visades inte ha någon negativ inverkan på brytarnas formminnesprestanda.
Magnetiskt känsliga ferrogeler drar ihop sig i närvaro av ett starkt magnetfält och har sålunda tillämpningar i läkemedels- och celltillförsel. Kombinationen av kolnanorör och magnetiskt känsliga partiklar har biotryckts för användning för att främja celltillväxt och vidhäftning, samtidigt som en stark ledningsförmåga bibehålls.
Handel och transporter
Skylar Tibbits utvecklar framtida tillämpningar av 4D-tryckta material som programmerbara produkter som kan skräddarsys för specifika miljöer och svara på faktorer som temperatur, luftfuktighet, tryck och ljud i ens kropp eller miljö. Tibbits nämner också fördelen med 4D-utskrift för fraktapplikationer - det kommer att tillåta produkter att förpackas platt för att senare få sin designade form aktiverad på plats genom en enkel stimulans. Det finns också möjlighet till 4D-printade fraktcontainrar som reagerar på krafter under transport för att jämnt fördela laster. Det är mycket troligt att 4D-utskrivna material kommer att kunna reparera sig själva efter fel. Dessa material kommer att kunna demonteras själv, vilket gör deras beståndsdelar lätta att återvinna.