Piattaforma di produzione di idrogel con movimento dinamico usando polimeri di chitosano reversibili a temperatura fotocretallica e tecnologia di stampa 4D a stereolitografia

Ricercatori 4D stampa idrogel polimero chitosano

Gli autori Jeong Wook Seo, Su Ryon Shin, Yeon Joo Park e Jojae Bae condividono i risultati del loro recente studio in ” Piattaforma di produzione di idrogel con movimento dinamico usando polimeri di chitosano reversibili a temperatura fotocretallica e tecnologia di stampa 4D a stereolitografia ,” completando alcuni grandi lacune nella fabbricazione di reti nell’ingegneria dei tessuti.

Pur riconoscendo che gli scienziati hanno compiuto enormi progressi con la stampa 3D, e in particolare nel settore della bioprinting, ci sono ancora ovvie sfide da superare. Molta attenzione è stata posta sulla creazione di strutture che imitano il design del tessuto umano; tuttavia, in questo studio, ci rendiamo conto che i polimeri tipici utilizzati devono anche essere in grado di muoversi come le microstrutture complesse che dovrebbero sostituire nel bioprinting.

Integrando la stampa 4D nell’ingegneria dei tessuti, si prevede che le strutture create si trasformino nell’ambiente desiderato, imitando così il movimento attraverso materiali biocompatibili stimolati dall’umidità, dalla temperatura o da altri tipi di ambienti introdotti.

I polimeri a memoria di forma e la loro capacità di deformarsi sono oggi utilizzati in una varietà di progetti, poiché i ricercatori esaminano i modi per migliorare le proprietà meccaniche , le prestazioni e la riciclabilità e li usano con altri dispositivi come gli attuatori . Molti utenti diversi hanno anche sperimentato gli aspetti materiali della stampa 4D, integrandola nella moda e nell’alta moda, negli interni delle automobili e molto altro.

“La deformazione morfologica è causata da cambiamenti nelle proprietà fisiche (ad es. Gonfiore) o resistenza meccanica dei componenti attivi della struttura, come rapporto di gonfiore, espansione e contrazione, ecc.”, Hanno spiegato i ricercatori. “La proprietà memory memory (SMP), che torna alla struttura originale dopo la trasformazione, consente anche la trasformazione reversibile della forma.”

In questo studio è stata utilizzata la stampa 3D SLA, ma con una resina a base di polimeri destinata a “soddisfare diverse condizioni” necessarie per il successo.

Uno schema che descrive il processo di stampa SLA-3D per la fabbricazione di strutture usando precursori di resina. Il laser SLA, che viene irradiato sotto il serbatoio di resina, provoca l’accumulo di resina sotto la piastra di costruzione durante la reticolazione fotografica. B Spettro di assorbanza della luce per soluzione di resina 4D. La regione viola è la regione di lunghezza d’onda prevista dell’uscita laser della Forma 2. C Modello 3D progettato per la costruzione di idrogel 4D. Il modello di stampa 4D è costituito da una parte fissa e una parte flettente. Tutte le unità sono in mm.

“Poiché la laminazione si basa sulla fotopolimerizzazione da parte di un laser, la stampa SLA richiede un polimero che può essere foto-reticolato. Nel caso della stampa 4D, i cambiamenti nella forma, nelle proprietà e nelle funzioni della struttura stampata dovrebbero essere indotti in base allo stimolo. Infine, il movimento dell’organo dovrebbe avere SMP, perché è una trasformazione che ritorna alla sua forma originale mediante un cambiamento reversibile. Una volta realizzati questi tre requisiti, le proprietà 4D possono essere assegnate alle strutture 3D esistenti. “

Il chitosano idrossibutilmetacrilato (HBC-MA) è stato trovato adatto per questo studio e, in effetti, i ricercatori lo hanno sviluppato in precedenza, definendo i materiali come “un polimero chitosano reversibile con fotoincrocio di temperatura, che reagisce sensibilmente alle variazioni di temperatura”.

Formulazione di controllo e resina 4D utilizzata per la stampa 4D SLA

I ricercatori hanno continuato a testare campioni per:

Proprietà di rigonfiamento – il rigonfiamento dinamico è stato associato alla temperatura, affermando che “all’interno del gruppo della struttura di controllo, non vi era alcuna differenza statisticamente significativa nel rapporto di rigonfiamento in base al cambiamento di temperatura. Tuttavia, tutti i gruppi nei campioni della struttura di controllo hanno mostrato differenze statisticamente significative rispetto al gruppo di raffreddamento (10 ° C) della struttura 4D (### p \ 0,001). Questi risultati confermano che la differenza di volume dovuta a gonfiore e deswelling in base al cambiamento di temperatura ha provocato una deformazione della forma, consentendo una caratteristica 4D. “
Proprietà meccaniche – dimostrano che la sensibilità alla temperatura ha influito sulla resistenza meccanica della struttura 4D: “La reticolazione termica di HBC-MA dovuta all’aumento della temperatura non solo formerebbe pori aggiuntivi, ma ridurrebbe anche il contenuto di umidità, con conseguente rete più densa . D’altra parte, la diminuzione della temperatura ha causato gonfiore nei polimeri HBC-MA e ridotto la resistenza meccanica a causa della configurazione di rete allentata e diminuzione della densità causata dal volume espanso a causa dell’aumentato contenuto di acqua. “
Rapporto di piegatura – il potenziale per la capacità di stampa 4D – confermato con un metodo di calcolo che esprime “la curvatura di piegatura della stampa 4D come rapporto relativo”.

Uno schema che descrive l’intero processo di movimento dinamico reversibile della stampa 4D. La struttura 4D prodotta dal design di modellazione della stampa 4D ha mostrato movimenti di flessione su raffreddamento e movimenti incessanti su riscaldamento. B Struttura dei pori della struttura 4D stampata. Piccoli pori formati da HBC-MA sono osservati tra le pareti prive di pori in PEG-MA fotopolimerizzato. C Struttura dei pori dopo la flessione. Sono state osservate crepe da flessione durante gonfiore. D Struttura dei pori dopo l’incurvamento. A 37 ° C, sono stati osservati pori termicamente reticolati con deswelling. E Equilibrare le caratteristiche di rigonfiamento del controllo rispetto alla struttura di stampa 4D. La struttura 4D mostrava diversi rapporti di gonfiore con la temperatura. Non c’era alcuna differenza statisticamente significativa con la temperatura nel gruppo di controllo. * p \ 0,05, ** p \ 0,01 tra il gruppo indicato; ### p \ 0. 001 contro 10 C gruppo di struttura 4D. I dati sono mostrati in media ± SD, n = 3

“La struttura 4D con HBC-MA ha mostrato proprietà fisico-chimiche sintonizzabili (ad es. Morfologia, gonfiore e meccanica) in base alla temperatura ed è stata in grado di muoversi dinamicamente attraverso l’espansione del volume e le proprietà di contrazione”, hanno spiegato i ricercatori.

“In conclusione, HBC-MA può essere considerato un potenziale materiale per l’ingegneria dei tessuti e le applicazioni mediche con proprietà di stampa 4D.”

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