Los investigadores de Empa han logrado desarrollar una tinta ecológica para la impresión 3D basada en nanocristales de celulosa. Esta tecnología se puede utilizar para fabricar microestructuras con propiedades mecánicas sobresalientes, que tienen usos potenciales prometedores en implantes y otras aplicaciones biomédicas.
Para producir materiales microestructurados en 3D para componentes de automóviles, por ejemplo, los investigadores de Empa han estado utilizando un método de impresión en 3D llamado "Escritura directa de tinta" durante el año pasado DIW, ver recuadro. Durante este proceso, una sustancia viscosa -- la tinta de impresión - se extrae de las boquillas de impresión y se deposita en una superficie, casi como una máquina de pasta. Los investigadores de Empa, Gilberto Siqueira y Tanja Zimmermann del Laboratorio de Materiales de Madera Aplicados, ahora han tenido éxito, junto con colegas de la Universidad de Harvardy ETH Zürich, en el desarrollo de una nueva tinta de impresión 3D ecológica hecha de nanocristales de celulosa CNC.
La celulosa, junto con la lignina y la hemicelulosa, es uno de los principales componentes de la madera. El biopolímero consiste en cadenas de glucosa organizadas en largas estructuras fibrosas. En algunos lugares, las fibrillas de celulosa exhiben una estructura más ordenada ". Los lugares con un mayor gradopor orden aparecen en una forma más cristalina. Y son estas secciones, que podemos purificar con ácido, las que necesitamos para nuestra investigación ", explica Siqueira. El producto final es nanocristales de celulosa, pequeñas estructuras en forma de varilla de 120 nanómetros de largo.y tienen un diámetro de 6.5 nanómetros. Y son estos nanocristales los que los investigadores querían usar para crear un nuevo tipo de tinta de impresión 3D ecológica. Las tintas anteriores contenían una proporción bastante pequeña de materiales "biológicos", con un máximo de 2.5 por ciento de CNCEl equipo de Empa deseaba aumentar esta proporción, como lo han logrado ahora: sus nuevas tintas contienen un CNC completo del 20 por ciento.
"El mayor desafío fue lograr una consistencia elástica viscosa que también pudiera exprimirse a través de las boquillas de la impresora 3D", dice Siqueira. La tinta debe ser lo suficientemente "gruesa" para que el material impreso permanezca "en forma" antes de secarse o endurecerse, y no se derrite inmediatamente de forma. Las primeras mezclas de CNC fueron a base de agua. Esto funcionó en principio, pero produjo un material muy frágil. Por lo tanto, Siqueira y sus colegas desarrollaron una segunda receta basada en polímeros que teníaUna ventaja decisiva: después de imprimir y endurecer con radiación UV, el CNC "reticuló" con bloques de construcción de polímero, lo que le dio al material compuesto un grado significativamente más alto de rigidez mecánica.
uniendo las cosas a pesar de la resistencia
Lo que parece bastante simple en retrospectiva causó que el equipo de Empa se rascara mucho la cabeza. Siqueira: "La mayoría de los polímeros son hidrófugos o repelentes al agua, mientras que la celulosa atrae agua, es hidrofílica. Como resultado, no son muy compatibles. "Entonces, los investigadores primero tuvieron que modificar químicamente la superficie del CNC.
Después de los primeros intentos de impresión y análisis de rayos X de las microestructuras obtenidas, los investigadores notaron que el CNC en el objeto impreso se había alineado casi perfectamente en la dirección en que se imprimió. Llegaron a la conclusión de que la fuerza mecánica utilizada para empujarla tinta a través de la boquilla de impresión fue suficiente para alinearla ". Es bastante interesante que uno pueda controlar tan fácilmente la dirección de los nanocristales, por ejemplo, si desea imprimir algo que debería tener una rigidez mecánica específica en una determinada dirección,"dice Siqueira.
Muchas y muchas posibilidades
Estas excelentes propiedades mecánicas representan una ventaja decisiva en comparación con otros materiales como las fibras de carbono, que también se usan en las tintas DIW. Además, el nuevo tipo de tinta del laboratorio Empa está hecho de un material renovable: la celulosa ".La celulosa es el polímero natural más frecuente en la Tierra ", dice Siqueira. No solo se encuentra en los árboles, sino también en otras plantas e incluso en bacterias. Los cristales, que están aislados de varias fuentes de celulosa, son morfológicamente diferentes entre sí.y difieren en tamaño, pero no en sus propiedades. Y también pueden ser de interés para, por ejemplo, la industria automotriz o para empaques de cualquier tipo. "Sin embargo, el área de aplicación más importante para mí es en biomedicina", diceSiqueira, "por ejemplo en implantes o prótesis". El investigador de Empa está convencido de que el material CNC es adecuado para una amplia variedad de aplicaciones diferentes debido a sus excelentes propiedades mecánicas, así como a la posibilidadde modificación química y alineación durante la impresión.
Estas posibilidades se están investigando actualmente en Empa. Un estudiante de doctorado se está centrando en el desarrollo de los materiales y el método de impresión para otras aplicaciones. Además, un estudiante de maestría tiene la intención de desarrollar otras tintas "biológicas". Investigaciónen este campo apenas está comenzando ", dice Gilberto Siqueira." Imprimir con biopolímeros es actualmente un tema muy candente ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Empa . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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