Un nuovo materiale di stampa 3D in grado di imitare i comportamenti dei tessuti biologici

I RICERCATORI DELL’UNIVERSITÀ DEL COLORADO DENVER SVILUPPANO NUOVO MATERIALE DI STAMPA 3D CHE IMITA I TESSUTI BIOLOGICI

I ricercatori dell’Università del Colorado di Denver e della Southern University of Science and Technology in Cina, hanno creato un nuovo materiale di stampa 3D in grado di imitare i comportamenti dei tessuti biologici.

Utilizzando il processo di stampa 3D Digital Light Processing (DLP), il team di ricerca ha sviluppato una resina elastomerica a cristalli liquidi simile al miele (LCE). Quando viene colpito dalla luce ultravioletta, il materiale indurisce e forma nuovi legami in una successione di sottili strati di fotopolimero e, dopo essere stato stampato in 3D in strutture reticolari, la resina inizia a imitare la cartilagine. I comportamenti ammortizzanti del materiale risultante aprono potenziali nuove applicazioni in dispositivi chirurgici e protettivi.

“Tutti hanno sentito parlare di cristalli liquidi perché li fissi sul display del telefono”, ha detto il professore di ingegneria meccanica Chris Yakacki, PhD. “E probabilmente hai sentito parlare di polimeri a cristalli liquidi perché è esattamente ciò che è Kevlar. La nostra sfida era di farli entrare nei polimeri morbidi, come gli elastomeri, per usarli come ammortizzatori. Questo è quando scendi gli strati della complessità. “

Gli LCE sono materiali morbidi e multifunzionali che combinano l’ordine molecolare anisotropico di cristalli liquidi (LC) con l’elasticità entropica di una rete polimerica leggermente reticolata. Mentre questi materiali sono spesso utilizzati per produrre attuatori robotici morbidi, mostrano anche i comportamenti dei tessuti biologici, come l’elevata dissipazione di energia e l’elasticità morbida. Utilizzando la stampa 3D, gli scienziati sono ora in grado di personalizzare la geometria dei reticoli per offrire il controllo sulle loro proprietà meccaniche e dissipative e adattarli alle diverse applicazioni.

Gli LCE prodotti in precedenza erano in gran parte limitati ai dispositivi a film sottile (<150 µm) a causa delle loro complesse rotte di sintesi e della necessità di allineare i gruppi LC tramite effetti di superficie. Questi materiali sono stati prodotti utilizzando la tecnica di stampa 3D Direct Ink Writing (DIW) a causa dei recenti progressi della tecnologia, che hanno permesso la fabbricazione di dispositivi macroscopici.

I ricercatori hanno optato per un approccio diverso e hanno sviluppato la loro nuova resina LC fotocurabile utilizzando la stampa 3D DLP, perché ha permesso loro di creare dispositivi di materiale morbido su larga scala con caratteristiche complesse ad alta risoluzione. La stampa DLP è anche una tecnologia ad alta produttività e scalabile, che la rende un metodo attraente per la fabbricazione commerciale di reticoli dissipativi progettati. Inoltre, il metodo di stampa ha permesso ai ricercatori di specificare la geometria complessiva del dispositivo e di controllarne le proprietà meccaniche per ottimizzare completamente un dispositivo dissipativo.

Utilizzo della stampa 3D per creare tessuti artificiali

Per dimostrare l’elasticità della loro nuova resina, il team di ricerca ha costruito dispositivi di prova Bulk LCE con dettagli ad alta risoluzione e forme complesse, utilizzando la resina LC su tiolo-acrilato su misura e una stampante 3D DLP personalizzata. Utilizzando il motore a luce UV del sistema, i ricercatori hanno proiettato immagini mascherate per fotopolimerizzare la resina LC in un processo top-down, strato per strato. Una volta indurita, questa resina LC formava un elastomero, con proprietà dissipative molto pronunciate a 30 ° C al di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa, un fenomeno che non si osserva negli elastomeri tradizionali.

I ricercatori hanno proceduto alla stampa 3D di diverse strutture, tra cui un minuscolo e dettagliato fiore di loto e un prototipo di una gabbia di fusione spinale, creando il più grande dispositivo LCE spinale con il maggior dettaglio. I test meccanici compressivi hanno rivelato che le risposte a sollecitazione di sollecitazione dei reticoli LCE hanno mostrato di avere una dipendenza in frequenza 12 volte maggiore e una dissipazione dell’energia di deformazione fino a 27 volte maggiore rispetto a quelle stampate da resine disponibili in commercio. Questa maggiore dipendenza dalla velocità è causata dalla rotazione dei domini mesogeno e dei cristalli liquidi quando sottoposti a tensione, il che aggiunge un ulteriore meccanismo di effetti viscosi al materiale.

LCE dei ricercatori ha mostrato livelli intrinsecamente più elevati di dissipazione di energia rispetto alla resina TangoBlack, oltre al neoprene (un comune ammortizzatore), nitrile e silicone, (materiali che attualmente non sono stampabili DLP). Un altro vantaggio della resina LCE dei ricercatori è che può anche essere stampato utilizzando stampanti DLP e SLA disponibili in commercio, consentendo potenzialmente il rapido sviluppo di dispositivi commerciali.

Gli alti livelli di dissipazione e la dipendenza dalla velocità del materiale LCE, lo rendono adatto per l’uso in una vasta gamma di applicazioni protettive, come dispositivi di protezione del corpo, inclusi caschi, e ammortizzatori in apparecchiature industriali ed elettroniche. Ad esempio, piccoli dispositivi collocati in spazi ristretti disponibili all’interno dei telefoni cellulari potrebbero ridurre il rischio di crepe dello schermo in caso di caduta. Mentre la tecnologia ha potenziali applicazioni di assorbimento degli urti e chirurgiche, i ricercatori hanno puntato su quest’ultima per le loro ricerche future.

“La colonna vertebrale è piena di sfide ed è un problema difficile da risolvere”, ha detto Yakacki. “Le persone hanno provato a realizzare dischi sintetici del tessuto spinale e non hanno fatto un buon lavoro. Con la stampa 3D e l’alta risoluzione che ne abbiamo ricavato, puoi abbinare esattamente l’anatomia di una persona. Un giorno potremmo essere in grado di far crescere le cellule per riparare la colonna vertebrale, ma per ora, possiamo fare un passo avanti con la prossima generazione di materiali. Ecco dove vorremmo andare “, ha detto Yakacki.

In futuro, i ricercatori prevedono che le prestazioni dei dispositivi dissipativi a reticolo LCE potrebbero essere ulteriormente migliorate e adattate, allineando le geometrie che allungano prevalentemente i membri, anziché piegarli. Ad esempio, l’elevato livello di dettaglio ottenibile con la stampa 3D DLP potrebbe consentire di progettare tasselli per rafforzare le strutture. Un altro aspetto dei reticoli stampati DLP che i ricercatori non hanno esplorato è stato il modo in cui l’orientamento della stampa influenza le risposte meccaniche delle strutture stampate. Ulteriori studi potrebbero lavorare per quantificare l’impatto della modifica dell’orientamento di una parte durante la stampa, oltre a sviluppare ulteriori applicazioni .

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