Investigadores de los laboratorios de Christopher Bates, profesor asistente de materiales en UC Santa Barbara, y Michael Chabinyc, profesor de materiales y presidente del departamento, se han asociado para desarrollar el primer elastómero "cepillo de botella" imprimible en 3D. El nuevo material da como resultado objetos impresos que tienen una suavidad y elasticidad inusuales, propiedades mecánicas que se parecen mucho a las del tejido humano.

Elastómeros convencionales, es decir, cauchos, son más rígidos que muchos tejidos biológicos. Eso se debe al tamaño y la forma de sus polímeros constituyentes, que son largas, moléculas lineales que se enredan fácilmente como espaguetis cocidos. A diferencia de, Los polímeros de cepillo de botella tienen polímeros adicionales unidos a la columna vertebral lineal, lo que lleva a una estructura más parecida a un cepillo para botellas que puede encontrar en su cocina. La estructura de polímero de cepillo de botella imparte la capacidad de formar elastómeros extremadamente blandos.

La capacidad de imprimir en 3D elastómeros de cepillo de botella hace posible aprovechar estas propiedades mecánicas únicas en aplicaciones que requieren un control cuidadoso sobre las dimensiones de los objetos que van desde tejido biomimético hasta dispositivos electrónicos de alta sensibilidad, como almohadillas táctiles, sensores y actuadores.

Dos investigadores postdoctorales, Renxuan Xie y Sanjoy Mukherjee, desempeñaron un papel clave en el desarrollo del nuevo material. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Avances científicos.

El descubrimiento clave de Xie y Mukherjee implica el autoensamblaje de polímeros de cepillo de botella en la escala de longitud nanométrica, lo que provoca una transición de sólido a líquido en respuesta a la presión aplicada. Este material se clasifica como un fluido de límite elástico, lo que significa que comienza como un sólido semiblando que mantiene su forma, como mantequilla o pasta de dientes, pero cuando se aplica suficiente presión, se licua y se puede exprimir con una jeringa. El equipo explota esta propiedad para crear tintas en un proceso de impresión 3D llamado escritura con tinta directa (DIW).

Los investigadores pueden ajustar el material para que fluya bajo varias cantidades de presión para que coincida con las condiciones de procesamiento deseadas. "Por ejemplo, tal vez desee que el polímero mantenga su forma bajo un nivel diferente de estrés, como cuando hay vibración presente, "dice Xie." Nuestro material puede mantener su forma durante horas. Eso es importante, porque si el material se hunde durante la impresión, la parte impresa tendrá poca estabilidad estructural ".

Una vez que se imprime el objeto, Se ilumina con luz ultravioleta para activar los reticulantes que Mukherjee sintetizó e incluyó como parte de la formulación de la tinta. Los reticulantes pueden unir polímeros de cepillo de botella cercanos, resultando en un elastómero supersuave. En ese punto, el material se convierte en un sólido permanente — ya no se licuará bajo presión — y exhibe propiedades extraordinarias.

"Comenzamos con polímeros largos que no están reticulados, "dijo Xie." Eso les permite fluir como un fluido. Pero, después de que brille la luz sobre ellos, las pequeñas moléculas entre las cadenas de polímero reaccionan y se unen en una red, entonces tienes un solido, un elastómero que, cuando estirado, volverá a su forma original ".

La suavidad de un material se mide en términos de su módulo, y para la mayoría de elastómeros, es bastante alto, lo que significa que su rigidez y elasticidad son similares a las de una goma elástica. "El módulo de nuestro material es mil veces más pequeño que el de una goma elástica, "Xie señala." Es súper suave, se siente muy parecido al tejido humano, y muy elástico. Puede estirarse entre tres y cuatro veces su longitud ".

Una tinta accidental

Mukherjee descubrió el material por accidente, al intentar desarrollar un material para un proyecto diferente, uno que aumentaría la cantidad de carga que puede almacenar un actuador. Cuando el elastómero llegó a Xie para su caracterización, supo de inmediato que era especial. "Pude ver de inmediato que era diferente, porque podía mantener su forma tan bien, " él recordó.

"Cuando vimos este límite de rendimiento realmente bien definido, todos se dieron cuenta colectivamente de que podíamos imprimirlo en 3-D, "Bates dijo, "y eso sería genial, porque ninguno de los materiales imprimibles en 3D que conocemos tiene esta propiedad supersuave ".

Los polímeros Bottlebrush existen desde hace más de veinte años. Pero, Bates dijo, "El campo se ha disparado en los últimos diez años gracias a los avances en la química sintética que proporcionan un control exquisito sobre el tamaño y la forma de estas moléculas únicas.

"Estos elastómeros supersuaves podrían aplicarse como implantes, ", agregó." Es posible que pueda reducir la inflamación y el rechazo del cuerpo si las propiedades mecánicas de un implante coinciden con el tejido nativo ".

Otro elemento importante del nuevo material es que es polímero puro, Chabinyc señaló.

"No contienen agua ni otros disolventes para suavizarlos artificialmente, " él dijo.

Para comprender la importancia de no tener agua en el polímero, es útil pensar en gelatina, que es principalmente agua y puede mantener su forma, pero solo mientras el agua permanezca dentro. "Si el agua se fue, entonces tendrías una pila de material sin forma, "dijo Chabinyc." Con un polímero convencional, debe averiguar cómo mantener la cantidad correcta de agua para mantener su estructura, pero este nuevo material es todo sólido, por lo que nunca cambiará ".

Es más, el nuevo material puede imprimirse en 3D y procesarse sin disolvente, que también es inusual. "Las personas a menudo agregan solvente para licuar un sólido para que pueda exprimirse por una boquilla, "dijo Xie, "pero si agrega solvente, tiene que evaporarse después de la impresión, lo que hace que el objeto cambie de forma o se agriete ".

Mukherjee agregado, "Queríamos que el material y el proceso de impresión fueran lo más limpios y fáciles posible, así que jugamos un truco de química con solubilidad y autoensamblaje, lo que permitió el proceso sin disolventes. El hecho de que no usemos solventes es una gran ventaja ".