"Creo que estás en silencio." Esta fue la frase más utilizada de 2020, según Human Resources Online. Blasonado en camisetas y grabado en tazas de café, Usamos el meme para burlarnos de nosotros mismos mientras aprendemos herramientas de videoconferencia como Zoom y Microsoft's Teams.

Pero para los más de 7 millones de estadounidenses que padecen trastornos vocales, no ser escuchado es un asunto serio. Muchas personas que tienen habilidades normales para hablar tienen grandes dificultades para comunicarse cuando su laringe, la laringe, falla. Esto puede ocurrir si las cuerdas vocales, las dos bandas de tejido muscular liso en la laringe, sufre daños por un accidente, procedimiento quirúrgico, infección viral o cáncer.

No hay reemplazo para las cuerdas vocales cuando el daño es severo o permanente. Ahora, un equipo de científicos de materiales de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Virginia ha desarrollado un material blando con la promesa de nuevos tratamientos en el futuro. Su novedoso material blando, llamado elastómero, es muy elástico y 10, 000 veces más suave que una goma convencional, igualar las propiedades mecánicas de las cuerdas vocales. El elastómero se puede imprimir en 3D para su uso en el cuidado de la salud.

Liheng Cai, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería química, supervisa esta investigación. Cai también tiene una cita de cortesía en ingeniería biomédica y dirige el Soft Biomatter Lab en UVA. El laboratorio de Cai trabaja para comprender y controlar las interacciones entre materiales blandos activos, como polímeros sensibles o geles biológicos, y sistemas vivos, como bacterias o células y tejidos del cuerpo humano.

El investigador postdoctoral de Cai, Shifeng Nian y el Ph.D. El estudiante Jinchang Zhu fue el coautor del artículo del equipo, "Imprimible en tres dimensiones, Extremadamente suave Estirable, y elastómeros reversibles de ensamblaje dirigido por arquitectura molecular, "publicado y presentado como artículo de portada en Química de Materiales . Los colaboradores incluyen Baoxing Xu, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la UVA, que realizó simulaciones para comprender la deformación de los impresos en 3D, estructuras extremadamente blandas.

El equipo desarrolló una estrategia novedosa para fabricar elastómeros blandos imprimibles en 3D. Utilizaron un nuevo tipo de polímero con una arquitectura especial que recuerda al cepillo de botella para limpiar pequeños objetos de vidrio. pero a escala molecular. El polímero parecido a un cepillo de botella, cuando se vincula para formar una red, permite materiales extremadamente suaves que imitan los tejidos biológicos.

Cai comenzó a demostrar el potencial de los polímeros de cepillo de botella como becario postdoctoral en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John H. Paulson de la Universidad de Harvard. La ingeniería colaborativa de Cai de caucho blando pero 'seco' se publicó en Materiales avanzados .

Ahora, Cai y su equipo han desarrollado una nueva forma de utilizar asociaciones fuertes, aunque reversibles según la temperatura, para reticular polímeros similares a los de los cepillos de botellas para formar una goma. La idea es utilizar síntesis química para agregar un polímero vítreo a cada extremo de un polímero similar a un cepillo de botella. Estos polímeros vidriosos se autoorganizan espontáneamente para formar esferas a nanoescala que son las mismas que las de las botellas de agua de plástico. Son rígidos a temperatura ambiente pero se funden a alta temperatura; esto se puede aprovechar para imprimir estructuras blandas en 3D.

La elasticidad de su material se puede ajustar de aproximadamente 100 a 10, 000 pascales en la escala de presión que puede soportar el material. El límite inferior aproximadamente 100 pascales, es un millón de veces más suave que los plásticos y 10, 000 veces más suaves que los elastómeros convencionales imprimibles en 3D. Es más, se pueden estirar hasta un 600%.

"Su extrema suavidad, la elasticidad y la termoestabilidad son un buen augurio para futuras aplicaciones, "Dijo Cai.

Cai le da crédito a Nian por desarrollar la química para sintetizar polímeros de cepillo de botella con una arquitectura controlada con precisión para prescribir la suavidad y capacidad de estiramiento de los elastómeros. El elastómero se puede utilizar como tinta en una impresora 3D para crear una forma geométrica con las cualidades del caucho.

La impresora 3D en sí es del tamaño de un refrigerador de un dormitorio. Zhu diseñó a medida la boquilla para el sistema de extrusión que dispara los materiales en una cantidad prescrita en un espacio 3D, guiado por un programa informático específico para el objeto deseado.

Nian obtuvo su Ph.D. en química de UVA en 2018, y se unió al laboratorio de Soft Biomatter de Cai como postdoctorado. "El grupo del Dr. Cai me brinda la oportunidad de expandir mi investigación desde la química clásica hasta el desarrollo de materiales; estamos inventando muchos materiales geniales con mecánica especial, propiedades eléctricas y ópticas, "Dijo Nian.

Lo bueno del material blando del equipo es su capacidad de autoorganizarse y ensamblarse a medida que se deposita cada gota. Cuando el material a base de silicona se carga por primera vez en el cartucho de tinta, tiene la consistencia de la miel, mitad sólido y mitad líquido. A medida que avanza la impresión, el solvente une las capas y luego se evapora para construir el objeto sin problemas. Es más, puede volver a hacerlo si comete algún error, ya que el material es 100% reprocesable y reciclable.

"Los elastómeros convencionales imprimibles en 3D son intrínsecamente rígidos; el proceso de impresión a menudo requiere soporte mecánico externo o postratamiento, "Cai dijo." Aquí, demostramos la aplicabilidad de nuestro elastómero como tintas para estructuras 3D de impresión de escritura directa ".

Para estudiar la forma en que las moléculas del material se interconectan, El equipo de Cai colaboró ​​con Guillaume Freychet y Mikhail Zhernenkov, científicos de líneas de luz en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Llevaron a cabo experimentos utilizando la sofisticada herramienta de rayos X del National Synchrotron Light Source II, específicamente la línea de luz de interfaces de materia blanda, para revelar la composición interna de los materiales impresos sin dañar las muestras.

"La línea de luz SMI es ideal para este tipo de investigación debido a su alta intensidad de haz de rayos X, excelente capacidad de sintonización de transferencia de energía y momento, y fondo muy bajo. Trabajando con el equipo de Cai, pudimos ver cómo el polímero parecido a un cepillo de botella se ensambla en una red reticulada, "Dijo Zhernenkov.

Cai estima que el equipo está a dos o tres años de ver sus elastómeros en uso práctico, un ritmo acelerado gracias al método de impresión 3D del equipo. A veces llamado fabricación aditiva, La impresión 3D es uno de los puntos fuertes de la investigación del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UVA; Los investigadores en este campo buscan comprender la física subyacente a los procesos de fabricación aditiva a medida que crean nuevos sistemas de materiales.

Mejorar la salud es solo uno de los motivadores de su investigación.

"Creemos que nuestros hallazgos estimularán el desarrollo de nuevos materiales blandos como tintas para impresión 3D, que puede ser la base para una amplia gama de dispositivos y estructuras adaptables, como sensores, electrónica extensible y robótica blanda, "Dijo Cai.