Revolutioneren biomedische ingenieurswetenschap: 4D-printen van slimme electromechanische materialen

Onderzoekers van de Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) in Spanje hebben software en hardware ontwikkeld voor een 4D-printer met toepassingen in het biomedische veld. Naast 3D-printen stelt deze machine het controleren van extra functies in: programmeren van de materiaalrespons zodat vormverandering optreedt onder een extern magneetveld, of veranderingen in elektrische eigenschappen ontstaan onder mechanische vervorming.

Zachte multifunctionele structuren

Deze onderzoekslijn richt zich op de ontwikkeling van zachte multifunctionele structuren, bestaande uit materialen met mechanische eigenschappen die biologische weefsels zoals hersenen of huid nabootsen. Daarnaast kunnen ze hun vorm of eigenschappen veranderen wanneer ze geactiveerd worden via externe stimuli, zoals magnetische velden of elektrische stromen.

Nieuwe 4D-printmethodologie

Tot nu toe had dit team verschillende vooruitgang geboekt in het ontwerp en de fabricage van deze structuren, maar ze waren zeer beperkt in vormontwerp en programmeren van intelligente reacties. Het werk gepresenteerd in hun laatste studie, gepubliceerd in Advanced Materials Technologies, heeft nieuwe mogelijkheden geopend door een nieuwe 4D-printmethodologie te ontwikkelen.

"Deze technologie stelt ons in staat niet alleen de manier te controleren waarop we driedimensionale structuren printen, maar ook om hen de capaciteit te geven om hun eigenschappen of geometrie te veranderen in reactie op de werking van externe magnetische velden, of de capaciteit om hun elektrische eigenschappen te wijzigen wanneer ze vervormen," verklaarde onderzoeker Daniel García González, hoofd van het ERC 4D-BIOMAP project en associate professor aan UC3M's Department of Continuum Mechanics and Structure Theory.

Complexiteit van het printproces

Dit type printen is complex omdat het te extruderen materiaal tijdens het printproces overgaat van vloeibaar naar vast. Het is daarom noodzakelijk de materiadynamiek te begrijpen om het fabricageproces aan te passen en een materiaal te verkrijgen dat voldoende vloeibaar is wanneer het door de printermonding stroomt, maar genoeg vast om een specifieke vorm te behouden.

Interdisciplinaire methodologie

Daarvoor hebben ze een interdisciplinaire methodologie ontwikkeld die theoretische en experimentele technieken combineert, waardoor ze het printapparaat vanaf nul konden bouwen, inclusief hardware en software.

Zelfherstellend materiaal

De onderzoekers hebben ook een nieuw materiaalconcept ontwikkeld dat zichzelf autonom kan herstellen zonder externe actie. "Dit materiaal bestaat uit een zachte polymermatrix ingesloten met magnetische deeltjes met een remanent veld. Voor praktische doeleinden is alsof we kleine magneten in het materiaal hebben gedistribueerd, zodat, als het breekt, de resulterende delen weer fysiek samengaan en hun structurele integriteit herstellen," aldus González.

Drie typen functionele materialen

Dankzij deze vooruitgang kon het team drie typen functionele materialen printen: sommige die hun vorm en eigenschappen veranderen in reactie op externe magnetische velden; andere met zelfherstellend vermogen; en anderen wiens elektrische eigenschappen (geleiding) variëren volgens hun vorm of vervorming.

De combinatie van materialen met zelfherstellende capaciteiten en wiens elektrische geleidingseigenschappen variëren met vervorming opent enorme mogelijkheden in de ontwikkeling van sensoren en zachte robots.

Voor meer informatie, neem contact op met Fco. Javier Alonso via falonso@uc3m.es; 916-249-035.