TU Wien nuovi metodi per la stampa 3D ad alta risoluzione di fotopolimeri duri e omogenei

L’Università  di Vienna ( TU Wien ) in Austria ha completato numerose ricerche sui materiali di stampa 3D , come i magneti , nel corso degli anni. Ora, i ricercatori stanno lavorando su un metodo per la stampa 3D ad alta risoluzione di fotopolimeri a reticolazione omogeneamente reticolata, a base di metacrilato, che non è la cosa più facile al mondo da realizzare. Questo nuovo approccio prepara duri fotopolimeri da utilizzare in applicazioni biomediche, come otturazioni dentali e polimeri a memoria di forma per la crescita dei tessuti.

Molti rivestimenti, tra cui otturazioni di denti, inchiostri da stampa e vernici, sono curati con la luce, ma mancano le capacità per produrre reti polimeriche omogenee e su misura. Anche se lo gestisci, i materiali possono essere fragili, il che limita la possibilità di utilizzare fotopolimeri per applicazioni quali stampa 3D, microelettronica e biomedicale. Ma un team di ricercatori, guidato dal professor Robert Liska della TU Wien, ha recentemente pubblicato un articolo sulla rivista  Angewandte Chemie , intitolato ” Vinyl Sulfonate Esters: efficienti agenti di trasferimento della catena per la stampa 3D di fotopolimeri duri senza ritardo “, che spiega il loro nuovo metodo per la stampa 3D fotopolimeri su misura, resistenti.

L’abstract dice: “La formazione di reti attraverso la polimerizzazione radicalica avviata dalla luce consente poca libertà di progettazione su misura della rete. Le architetture di rete disomogenee risultanti e il comportamento fragile del materiale di tali reti di tipo vetroso limitano l’applicazione commerciale dei fotopolimeri nella stampa 3D, nella biomedicina e nella microelettronica. Un estere vinil-solfonato di esteri attivato (EVS) è presentato per la rapida formazione di reti su misura metacrilato. La fase di trasferimento della catena indotta dall’SVS riduce la lunghezza della catena cinetica del fotopolimero, spostando così il punto del gel verso una conversione più elevata, il che si traduce in una riduzione dello stress da contrazione e una maggiore conversione complessiva. La rete risultante più omogenea è responsabile dell’elevata tenacità del materiale. La proprietà esclusiva di EVS di promuovere una polimerizzazione quasi priva di ritardo può essere attribuita al fatto che dopo la fase di trasferimento non si forma alcun doppio legame polimerizzabile, come si vede solitamente nei classici trasferitori a catena. Sono stati utilizzati fotolisi flash laser, calcoli teorici e studi fotoreattori per chiarire la reazione di trasferimento a catena veloce e l’eccezionale capacità di regolazione di EVS. Le reti fotopolimeriche finali mostrano prestazioni meccaniche migliorate, rendendo l’EVS un candidato eccezionale per la stampa 3D di fotopolimeri resistenti. ” e studi di fotoreattori sono stati usati per chiarire la reazione di trasferimento a catena veloce e l’eccezionale capacità di regolazione di EVS. Le reti fotopolimeriche finali mostrano prestazioni meccaniche migliorate, rendendo l’EVS un candidato eccezionale per la stampa 3D di fotopolimeri resistenti. ” e studi di fotoreattori sono stati usati per chiarire la reazione di trasferimento a catena veloce e l’eccezionale capacità di regolazione di EVS. Le reti fotopolimeriche finali mostrano prestazioni meccaniche migliorate, rendendo l’EVS un candidato eccezionale per la stampa 3D di fotopolimeri resistenti. ”

Il metodo di fotopolimerizzazione è più spesso una polimerizzazione a catena radicale, in cui l’energia della luce divide un iniziatore in radicali che attaccano il monomero. Quindi, si forma un nuovo radicale che diventa la base per una rete di polimeri che continua a crescere attaccando e legandosi a monomeri aggiuntivi.

È necessario per tempi di produzione più rapidi e alta risoluzione spaziale avere una breve fase di irradiazione, motivo per cui i nuovi metodi volti a controllare le proprietà dei materiali di un prodotto e la fotopolimerizzazione radicale rallentano la polimerizzazione, non eccezionale per la stampa 3D.

L’approccio del team TU Wien alla produzione su misura di fotopolimeri a base di metacrilato – senza inibire l’indurimento – utilizza un estere di vinile solfonato (EVS) attivato come agente di trasferimento della catena, poiché può facilmente separare una porzione di se stesso per attivare il processo.

Se una rete polimerica in crescita non attacca un altro monomero, ma attacca invece l’EVS, si formerà una sostanza intermedia, quindi si dividerà rapidamente per formare un radicale altamente reattivo (radicale tosilico) e una catena polimerica terminata, che a sua volta inizierà una nuova reazione a catena . Più EVS aggiungi, più breve sarà la lunghezza media della catena della rete polimerica. Questa è una buona notizia: catene polimeriche più corte possono rimanere mobili più a lungo, il che riduce il rischio di crepe da ritiro durante il processo di polimerizzazione.

La polimerizzazione non è inibita in questo nuovo processo, che è un contrasto diretto con gli agenti di trasferimento di catena convenzionali, poiché non ci sono passi di reazione reversibili da prendere o intermedi stabili coinvolti; come dice Wiley , la “scissione del radicale tosilico è favorita”.

Immagini SEM della struttura di scaffold stampate in 3D dal riferimento p2M.
A scopo di test, il team ha allestito una struttura campione simile a scaffold utilizzando un copolimero di metacrilato. I singoli strati, con uno spessore di 50 μm, erano spazialmente ben risolti nella struttura: il materiale è solido, ma anche elastico, omogeneo, con elevata resistenza a trazione e resistenza all’impatto. Tutte queste proprietà sono facilmente modificabili semplicemente cambiando la quantità di EVS aggiunta al mix; la mancanza di EVS rende il materiale fragile da stampare in 3D.

Co-autori del documento includono Dr. Konstanze Seidler, Dr. Markus Griesser con l’Università di Ottawa, Markus Kury, Dr. Reghunathan Harikrishna, Dr. Peter Dorfinger, Dr. Thomas Koch, Anastasiya Svirkova, Professoressa Martina Marchetti-Deschmann, Professore Juergen Stampfl, il professor Norbert Moszner della sede di Lichtenstein della società dentale  Ivoclar Vivadent AG , il dott. Christian Gorsche e il professor Liska.

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