Los polímeros con memoria de forma o materiales que cambian de forma son materiales inteligentes que han ganado una atención significativa dentro de la ciencia de materiales y la ingeniería biomédica en los últimos años para construir estructuras y dispositivos inteligentes. El procesamiento de luz digital es un método basado en la fotopolimerización en tina con una tecnología significativamente más rápida para imprimir una capa completa en un solo paso para crear materiales inteligentes.
Fahad Alam y un equipo de científicos en ingeniería eléctrica, informática e ingeniería nuclear de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah de Arabia Saudita desarrollaron un método fácil y rápido para imprimir en 3D estructuras inteligentes basadas en polímeros con memoria de forma con una impresión de luz digital. Impresora 3D y resina personalizada.
Combinaron un cristal líquido (un material que puede cambiar su forma con la temperatura) con resina, para introducir propiedades de memoria de forma para imprimir directamente en 3D estructuras termosensibles, evitando al mismo tiempo la complejidad de la preparación de la resina. El equipo imprimió las estructuras con diferentes geometrías y midió la respuesta de la memoria de forma. Los polímeros con memoria de forma se pueden preparar cómodamente para su uso como herramientas, juguetes y metamateriales inteligentes.
El artículo se publica en la revista NPG Asia Materials. .
Los polímeros con memoria de forma pertenecen a una clase de polímeros inteligentes de forma dual que pueden sufrir deformación mecánica y volver a su forma original en respuesta a parámetros ambientales. La recuperación del polímero con memoria de forma depende de la aplicación de estímulos externos como calor, luz, electricidad, humedad y cambios de pH.
Estos materiales son construcciones que cambian de forma y que han ganado un interés considerable en los últimos años debido a su versatilidad y viabilidad industrial. El equipo de investigación demostró la impresión 4D de polímeros con memoria de forma mediante procesamiento de luz digital; un método de impresión 3D basado en la fotopolimerización en cuba. Los resultados resaltaron la idoneidad de las estructuras complejas impresas en 3D para una variedad de aplicaciones.
Creando el efecto de memoria de forma
El equipo de investigación investigó el efecto de memoria de forma de las muestras impresas en 3D estudiando el proceso de inducción y recuperación de forma. El método permitió una impresión sencilla y de alta resolución de intrincados diseños 3D. Estas construcciones son útiles en una variedad de aplicaciones como parches inteligentes flexibles, herramientas mecánicas de tamaño variable y juguetes deformables. En este trabajo, Alam y sus colegas desarrollaron un polímero con memoria de forma basado en un cristal líquido mezclado con una resina fotocurable, para desarrollar un polímero semicristalino y describieron su mecanismo de acción, basándose en estudios previos.
El equipo observó la morfología interna de las secciones transversales impresas en 3D con o sin cristales líquidos mediante microscopía electrónica de barrido. Luego observaron las respuestas de los polímeros con memoria de forma en relación con su capacidad de recuperarse después de soportar cargas. El presente trabajo mostró la influencia del procesamiento de luz digital 3D para crear polímeros con memoria de forma con efectos 4D. Los científicos cuantificaron la respuesta de la memoria de forma para mostrar la relación del ángulo de recuperación frente al tiempo.
Propiedades mecánicas ajustables
Los investigadores exploraron las aplicaciones prometedoras de los polímeros de memoria inteligentes impresos en 3D. Para lograr esto, Alam y sus colegas determinaron las propiedades mecánicas de los materiales realizando pruebas de tracción en una muestra de hueso de perro, para mostrar cómo se pueden ajustar las propiedades mecánicas de los materiales impresos regulando la forma de las estructuras reticulares.
Confirmaron la adaptabilidad mecánica de los materiales inteligentes mediante la realización de simulaciones de elementos finitos y compararon los resultados experimentales con pruebas de tracción del análisis de elementos finitos. Las prestaciones mecánicas de las redes 2D observadas mediante experimentos y predichas mediante simulación coincidieron. Basándose en la flexibilidad y la capacidad de estiramiento, Alam y su equipo probaron las muestras para pruebas de deformación y para aplicaciones de detección de movimiento de articulaciones.
Para facilitar el movimiento de las articulaciones mediante la integración de polímeros, los científicos aplicaron un revestimiento conductor a base de nanoplata como electrodo, lo que requirió una mayor optimización de los parámetros de impresión. Los científicos midieron los cambios en la resistencia eléctrica estirando y comprimiendo la estructura para facilitar el movimiento de los pacientes.
Los resultados de la medición de la resistencia del parche de electrodo de celosía preparado mostraron su potencial para su uso como parche inteligente para la detección del movimiento de las articulaciones; Esto se puede aplicar a una rodilla humana, a una articulación del codo, a una extremidad artificial o a extremidades reales para detectar el movimiento. Estos parches de electrodos se pueden personalizar según el tamaño del paciente mediante procesos de fabricación sencillos y rápidos.
Perspectivas
De esta manera, Fahad Alam y su equipo presentaron un método para imprimir en 3D materiales inteligentes utilizando primero polímeros con memoria de forma para una fabricación fácil y rápida mediante procesamiento de luz digital. Los científicos personalizaron los objetos impresos en 3D para crear estructuras que cambiaron con el tiempo, esto se conoce como impresión 4D. Lo lograron combinando cristales líquidos con una resina e imprimiéndolos con una impresora de escritorio comercial. Los investigadores utilizaron el método para fabricar una variedad de objetos complejos, incluidos parches de celosía, juguetes plegables, envases inteligentes y llaves mecánicas.
Los científicos sometieron estos objetos a calor, para cambiar temporalmente su forma y para aplicaciones posteriores de recuperación de forma. El equipo utilizó pruebas de tracción para mostrar la naturaleza ajustable de los polímeros con memoria de forma, para cumplir con aplicaciones específicas en ingeniería biomédica. Estos parches de celosía impresos en 3D son muy adecuados para la detección de tensión en aplicaciones de movimiento de articulaciones. Los investigadores registraron los cambios en la resistencia eléctrica del parche inteligente impreso en 3D para detectar el movimiento en las articulaciones de las extremidades artificiales y los brazos de los pacientes.
Más información: Fahad Alam et al, Impresión 4D rápida de polímeros termosensibles con memoria de forma mediante fotopolimerización en tina, NPG Asia Materials (2023). DOI:10.1038/s41427-023-00511-x
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