Reparar y reutilizar plásticos y administrar medicamentos contra el cáncer de manera más eficaz son solo dos de las muchas aplicaciones potenciales que podría tener una nueva tecnología de impresión 3-D / 4-D. gracias al trabajo pionero de una colaboración de investigación entre UNSW Sydney y la Universidad de Auckland.

Los investigadores han revelado la fusión exitosa de la impresión 3-D / 4-D y la polimerización viva / fotocontrolada, un proceso químico para crear polímeros, en un artículo publicado en Edición internacional Angewandte Chemie el viernes.

La impresión 4-D es un subconjunto de la impresión 3-D donde el objeto impreso puede transformar su forma en respuesta a ciertas condiciones.

El nuevo método de polimerización controlada, donde los investigadores utilizaron luz visible para crear un plástico o polímero "vivo" respetuoso con el medio ambiente, abre un nuevo mundo de posibilidades para la fabricación de materiales sólidos avanzados.

Los polímeros pueden ser sintéticos, como el plástico, así como biológico, por ejemplo, ADN.

La investigación se basó en el descubrimiento de 2014 del laboratorio UNSW Sydney Boyer Lab de la polimerización PET-RAFT (polimerización de transferencia de cadena de fragmentación de adición reversible de transferencia de energía / electrones fotoinducidos), una nueva forma de fabricar polímeros controlados utilizando luz visible, utilizando la técnica de polimerización por transferencia de cadena de fragmentación por adición reversible (RAFT) descubierta por el CSIRO (Graeme Moad, San Thang y Enzo Rizzard).

Dichos polímeros se pueden reactivar para un mayor crecimiento, a diferencia de los polímeros tradicionales que están "muertos" después de ser fabricados.

Desde este desarrollo, la tecnología se ha expandido y ha demostrado ser útil para fabricar moléculas bien controladas para muchas aplicaciones, incluida la administración de fármacos y otros biomateriales.

Primer descubrimiento mundial

El autor principal, Cyrille Boyer, dijo que el último avance de su equipo fue una primicia mundial en el desarrollo de un nuevo sistema de impresión 3-D que utiliza polimerización PET-RAFT. para permitir que los materiales impresos en 3D se modifiquen fácilmente después de la impresión.

"La polimerización controlada nunca se ha utilizado antes en la impresión 3-D y 4-D, debido a que las velocidades de los procesos de polimerización controlados típicos son demasiado lentas para la impresión 3-D / 4-D, donde la reacción debe ser rápida para velocidades de impresión prácticas, "Dijo el profesor Boyer.

"Después de dos años de investigación y cientos de experimentos, Desarrollamos un proceso rápido compatible con la impresión 3D.

"A diferencia de la impresión 3D convencional, Nuestro nuevo método de uso de luz visible nos permite controlar la arquitectura de los polímeros y ajustar las propiedades mecánicas de los materiales preparados por nuestro proceso.

"Este nuevo proceso también nos da acceso a la impresión 4-D y permite transformar o funcionalizar el material, que no era posible anteriormente ".

Nathaniel Corrigan de la UNSW, co-primer autor con UNSW Ph.D. candidato Zhiheng Zhang, dijo que una ventaja adicional de su nuevo sistema era la capacidad de controlar con precisión todas las moléculas en el material impreso en 3D.

"La impresión 4-D es un subconjunto de la impresión 3D. Pero con la impresión 4-D, el objeto impreso en 3-D puede cambiar su forma y propiedades químicas o físicas y adaptarse a su entorno, "Dijo el Dr. Corrigan.

"En nuestro trabajo, el material impreso en 3-D podría cambiar de forma reversible cuando se expone al agua y luego se seca.

"Por ejemplo, el objeto 3-D comienza como un plano y cuando se expone a ciertas condiciones, comenzará a doblarse, es un material 4-D. Entonces, la cuarta dimensión es el tiempo ".

De la reducción de residuos a aplicaciones biomédicas

Los investigadores tienen la esperanza de que su nuevo proceso de impresión 3-D / 4-D que utiliza la polimerización PET-RAFT conducirá a la producción de materiales funcionales para resolver muchos de los problemas que enfrenta la sociedad actual.

El profesor Boyer dijo que el nuevo método tenía una multitud de aplicaciones para artículos de uso diario, particularmente si un objeto deformado o roto necesitaba ser reparado o modificado.

"La aplicación principal es, por supuesto, el reciclaje, porque en lugar de usar un objeto de plástico una vez, se puede reparar y reutilizar, " él dijo.

"Para el reciclaje ordinario, se quitan los materiales y hay que reconstruirlos, pero para el nuevo material "vivo" podrá repararse a sí mismo.

"Por ejemplo, si quieres poner el logo de UNSW en una taza, puede modificar la superficie del objeto y hacer crecer los polímeros para mostrar UNSW porque el objeto no está muerto; es un objeto vivo y puede seguir creciendo y expandiéndose ".

El Dr. Corrigan dijo que otro beneficio importante del nuevo proceso era su compatibilidad con la biomedicina, porque las condiciones extremas eran innecesarias.

"Los enfoques actuales de impresión 3D suelen estar limitados por las duras condiciones requeridas, como luz ultravioleta fuerte y productos químicos tóxicos, lo que limita su uso en la fabricación de biomateriales, " él dijo.

"Pero con la aplicación de la polimerización PET-RAFT a la impresión 3D, podemos producir moléculas de polímero largas utilizando luz visible en lugar de calor, que es el método de polimerización típico.

"Usar calor por encima de los 40 grados mata las células, pero para la polimerización por luz visible podemos usar temperatura ambiente, por lo que la viabilidad de las células es mucho mayor ".

El profesor Boyer dijo que los objetos hechos a través de este nuevo proceso podrían usarse más fácilmente en aplicaciones biológicas avanzadas, como la ingeniería de tejidos, por ejemplo, donde se utiliza una estructura de tejido para formar nuevos, tejido viable para uso médico.

"Nuestro nuevo método se dirige a la pequeña escala, aplicaciones de nicho en campos como la microelectrónica y la biomedicina, un área enorme para nosotros, que requieren polímeros muy avanzados, " él dijo.

Impresión 3-D y 4-D para todos

El profesor Boyer dijo que su nueva técnica permitiría a operadores comerciales y no expertos producir materiales con propiedades y aplicaciones aparentemente infinitas.

"Queremos explorar nuestro sistema para encontrar y abordar cualquier limitación que permita una mejor asimilación e implementación de esta tecnología, " él dijo.

"Es mucho lo que podemos hacer al combinar la impresión 3-D y 4-D con polimerización controlada para hacer materiales avanzados y funcionales para muchas aplicaciones en beneficio de la sociedad".