新的3-D打印技术可产生“活的” 4-D材料

 
新南威尔士大学的研究人员将3D打印与光控过程相结合，以创建一种“活的” 4D树脂。图片来源：Shutterstock由于新南威尔士大学悉尼分校和纽约大学之间研究合作的开创性工作，修复和再利用塑料以及更有效地输送抗癌药物只是新的3-D / 4-D打印技术可能具有的许多潜在应用中的两个。奥克兰大学。
研究人员在周五发表在Angewandte Chemie International Edition上的一篇论文中揭示了3-D / 4-D打印和光控/活性聚合(一种化学方法，可以制造聚合物)的成功融合。
4-D打印是3-D打印的子集，其中，打印对象可以响应某些条件来改变其形状。
研究人员使用可见光创造了一种环境友好的“活”塑料或聚合物，这种新的受控聚合方法为先进的固体材料的制造开辟了新的可能性。
聚合物可以是合成的，例如塑料，也可以是生物的，例如DNA。
该研究基于UNSW Sydney Boyer实验室在2014年发现的PET-RAFT聚合(光致电子/能量转移-可逆加成碎片链转移聚合)技术，这是一种使用可见光通过可逆加成碎片链转移( CSIRO(Graeme Moad，San Thang和Enzo Rizzard)发现了RAFT聚合技术。
这种聚合物可以重新活化以进一步生长，这与传统的聚合物在制备后会“死”有关。
自从这一发展以来，该技术得到了扩展，并已证明可用于制造许多应用中的受控分子，包括药物输送和其他生物材料。
主要作者西里尔·博耶(Cyrille Boyer)表示，他的团队的最新突破是开发使用PET-RAFT聚合技术的新型3-D打印系统的世界首创，该系统可使3-D打印的材料在打印后易于修改。
“受控聚合从未在3-D和4-D打印中使用过，因为对于3-D / 4-D打印，典型的受控聚合过程的速度太慢，而对于实际的打印速度来说，反应必须很快，博耶教授说。
“经过两年的研究和数百次实验，我们开发了一种与3-D打印兼容的快速工艺。
“与传统的3D打印相比，我们使用可见光的新方法使我们能够控制聚合物的结构并调整通过我们的工艺制备的材料的机械性能。
“这种新工艺还使我们能够进行4-D打印，并且可以对材料进行转换或功能化，而这在以前是不可能的。”
UNSW的Nathaniel Corrigan，与UNSW博士的第一作者。候选人张志恒说，他们新系统的一个额外优势是能够精细控制3D打印材料中的所有分子。
Corrigan博士说：“ 4-D打印是3-D打印的子集。但是，在4-D打印中，3-D打印的对象可以改变其形状，化学或物理特性并适应其环境。”
“在我们的工作中，将3D打印的材料暴露于水中然后干燥，可能会可逆地改变其形状。
“例如，3-D对象开始时是一个平面，当暴露于某些条件下时，它将开始折叠-这是4-D材料。因此，第四个维度是时间。”
从减少浪费到生物医学应用
研究人员希望他们使用PET-RAFT聚合技术进行的新的3-D / 4-D打印工艺将导致功能性材料的生产，以解决当今社会面临的许多问题。
博耶教授说，这种新方法可用于日常用品，尤其是当变形或破裂的物体需要维修或修改时。
他说：“主要的应用当然是回收利用，因为不用一次使用塑料制品，而是可以对其进行修理和再利用。”
“对于普通的回收，您需要带走这些材料并对其进行重建，但是对于新的’活’材料，它将能够自我修复。
“例如，如果要将UNSW徽标放在杯子上，则可以修改对象的表面并生长聚合物以显示UNSW，因为该对象没有死;它是有生命的对象，并且可以继续增长和扩展。 ”
Corrigan博士说，新工艺的另一个主要优点是它与生物医学的兼容性，因为不需要极端条件。
他说：“当前的3D打印方法通常受到苛刻条件的限制，例如强紫外线和有毒化学物质，这限制了它们在制造生物材料中的使用。”
“但是，通过将PET-RAFT聚合应用于3-D打印，我们可以使用可见光而非加热来生产长聚合物分子，这是典型的聚合方法。
“使用高于40度的热量会杀死细胞，但是对于可见光聚合，我们可以使用室温，因此细胞的活力要高得多。”
博耶教授说，通过这种新工艺制成的物体可以更轻松地用于先进的生物应用，例如组织工程，其中组织结构用于形成新的，可行的医疗组织。
他说：“我们的新方法针对微电子和生物医学等领域的小规模利基应用，这对我们来说是一个巨大的领域，需要非常先进的聚合物。”
适合所有人的3D和4D打印
博耶教授说，他们的新技术将使商业和非专家操作人员能够生产出看似无穷无尽的性能和应用的材料。
他说：“我们希望探索我们的系统，以发现并解决任何局限性，以便更好地采用和实施该技术。”
“我们可以通过将3-D和4-D打印与受控聚合相结合来制造出先进的功能性材料，以使许多应用造福社会，我们可以做很多事情。”