Ottimizzazione dei materiali flessibili stampati in 3D con il sistema di goccioline microfluidiche

Come suggerisce il nome, la microfluidica è incentrata sul comportamento, la manipolazione e il controllo dei fluidi che sono stati limitati a una scala molto piccola . Ovviamente, una gestione accurata è della massima importanza quando si ha a che fare con fluidi a livelli inferiori al millimetro e un team di ingegneri dell’Università della California, Davis ( UC Davis ) ha pubblicato un documento di ricerca negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS), una rivista sul loro lavoro di stampa 3D di materiali flessibili utilizzando un nuovo sistema microfluidico basato su goccioline.

“Qui, presentiamo un approccio per modulare gli inchiostri estrusi nel punto di stampa, usando inclusioni di goccioline”, afferma l’astratto. “Il nostro approccio rappresenta una tendenza continua di adattamento della tecnologia e dei principi della microfluidica per lo sviluppo della prossima generazione di tecnologia di produzione additiva.”

La stampa basata sull’estrusione è economica ed efficiente, ma è difficile fabbricare componenti da più materiali con la massima morbidezza. Jiandi Wan, un assistente professore di ingegneria chimica presso la UC Davis, ha capito che il tipico ugello per stampante 3D non è dissimile dai dispositivi di microfluidica capillare in vetro studiati dagli studenti nel suo laboratorio, che presentano diversi ugelli posti l’uno all’interno dell’altro.

Wan ha dichiarato : “La maggior parte delle stampanti 3D basate su estrusione utilizzano ugelli molto semplici e poiché abbiamo già sviluppato queste microfluidiche in vetro, abbiamo pensato: ‘perché non applicarle alla stampa 3D?'”

Insieme a Hing Jii Mea, uno studente laureato della UC Davis, e Luis Delgadillo dell’Università di Rochester, Wan ha creato un dispositivo in grado di racchiudere goccioline di una soluzione a base d’acqua, composta da polietilenglicole diacrilato ( PEGDA ), nel comune silicone- polidimetilsilossano a base polimerica organica ( PDMS ). Questo dispositivo utilizza un sistema di gocciolamento multifase per creare piccole goccioline PEGDA. Il PDMS scorre attorno al gocciolatore mentre ciò accade e le goccioline PEGDA vengono introdotte uniformemente nel polimero a base di silicone; in questo modo, entrambi i materiali fluiranno insieme su qualunque struttura venga stampata in 3D.

Questo sistema in realtà consente di regolare la flessibilità di una struttura stampata in 3D, il che potrebbe essere molto utile in applicazioni come tecnologia indossabile, ingegneria dei tessuti, robotica leggera e bioprinting. Le minuscole goccioline PEGDA sono circondate dal materiale PDMS e, una volta che il PEGDA viene diffuso, il PDMS viene ammorbidito chimicamente, risultando in una struttura più flessibile.

Wan ha spiegato , “Puoi anche incapsulare altre sostanze chimiche nelle goccioline per rendere la matrice complessiva molto più morbida o più dura.”

Nel loro studio, i ricercatori hanno scoperto che le goccioline PEGDA hanno modificato in modo significativo la “chimica PDMS locale”, riportando costrutti stampati in 3D con un modulo elastico ridotto dell’85% . Hanno anche determinato che la flessibilità strutturale può essere regolata modificando la portata e le dimensioni delle goccioline e che il loro nuovo sistema basato su goccioline può anche rendere flessibili i componenti porosi.

Possono effettivamente variare “la distribuzione spaziale delle goccioline” in situ per manipolare le caratteristiche meccaniche, “comprese le goccioline di metallo acquose e liquide”.

“Inoltre, abbiamo impartito funzionalità magnetiche nel PDMS disperdendo le goccioline di ferrofluido e progettato e stampato razionalmente un attuatore robotico a risposta magnetica rudimentale come dimostrazione funzionale della nostra strategia basata su goccioline”, hanno scritto nel documento.

Poiché il sistema semplifica la manipolazione della flessibilità del materiale, i ricercatori possono godere di un numero maggiore di opzioni quando si tratta di dispositivi microfluidici stampati in 3D.

Wan ha dichiarato: “Penso che questo aprirà una nuova area di ricerca, poiché l’applicazione della tecnologia microfluidica consolidata alla stampa 3D rappresenta una nuova direzione da percorrere”.

Questo cubo è stato stampato con una nuova tecnica che consente l’incorporamento di goccioline di materiali diversi all’interno della struttura. Queste goccioline possono essere utilizzate per rendere flessibili le strutture stampate in 3D o per dare loro altre proprietà. (Immagine gentilmente concessa da Jiandi Wan, UC Davis)

Il team UC Davis ritiene che sia il primo ad utilizzare questo tipo di “emulsione multifase basata su goccioline” e sta studiando attivamente quali altre combinazioni di materiali possono utilizzare nel loro nuovo sistema per manipolare le proprietà chimiche e meccaniche dei prodotti stampati in 3D.

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