Un equipo de científicos del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard ha evolucionado su tecnología de impresión 3D a microescala a la cuarta dimensión, el tiempo. Inspirado en estructuras naturales como las plantas, que responden y cambian su forma con el tiempo de acuerdo con los estímulos ambientales, el equipo ha presentado estructuras compuestas de hidrogel impresas en 4D que cambian de forma al sumergirse en agua.
"Este trabajo representa un elegante avance en el ensamblaje de materiales programables, hecho posible gracias a un enfoque multidisciplinario", dijo Jennifer Lewis, Sc.D., autora principal del nuevo estudio. "Ahora hemos ido más allá de la integración de forma y función para creararquitecturas transformables. "
Lewis es miembro del cuerpo docente principal en el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y profesor Hansjörg Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard. L. Mahadevan, Ph..D., Miembro de la facultad Wyss Core, así como profesor de Matemáticas Aplicadas Lola England de Valpine, profesor de Biología Organísmica y Evolutiva y profesor de Física en la Universidad de Harvard y Harvard SEAS, es coautor del estudio.El equipo también incluye al coautor Ralph Nuzzo, Ph.D., profesor de química GL Clark en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
En la naturaleza, las flores y las plantas tienen una composición de tejidos y microestructuras que dan como resultado morfologías dinámicas que cambian de acuerdo con sus entornos. Imitando la variedad de cambios de forma que sufren los órganos de las plantas, como zarcillos, hojas y flores, en respuesta a estímulos ambientales como la humedad.y / o temperatura, los compuestos de hidrogel impresos en 4D desarrollados por Lewis y su equipo están programados para contener comportamientos de hinchamiento localizados y precisos. Es importante destacar que los compuestos de hidrogel contienen fibrillas de celulosa que se derivan de la madera y son similares a las microestructuras que permiten cambios de formaen plantas.
Informado el 25 de enero en un nuevo estudio en Materiales naturales , el avance de la impresión 4D combinó la ciencia de los materiales y las matemáticas a través de la participación de los coautores principales del estudio, A. Sydney Gladman, quien es asistente de investigación graduada asesorada por Lewis y especializada en la impresión de polímeros y compuestos en el Instituto Wyss ySEAS y Elisabetta Matsumoto, Ph.D., quien es becaria postdoctoral en Wyss y SEAS asesorada por Mahadevan y especializada en materia condensada y física de materiales.
Al alinear las fibrillas de celulosa durante la impresión, la tinta compuesta de hidrogel se codifica con hinchazón y rigidez anisotrópicas, que pueden modelarse para producir cambios de forma intrincados. La naturaleza anisotrópica de las fibrillas de celulosa da lugar a diversas propiedades direccionales que pueden predecirse y controlarse. Al igual que la madera, que se puede dividir más fácilmente a lo largo de la veta que a través de ella. Del mismo modo, cuando se sumerge en agua, la tinta de fibrillas de hidrogel-celulosa experimenta un comportamiento de hinchamiento diferencial a lo largo y ortogonal a la trayectoria de impresión. En combinación con un modelo matemático patentado desarrolladopor el equipo que predice cómo se debe imprimir un objeto 4D para lograr formas transformables prescritas, el nuevo método abre muchas aplicaciones potenciales nuevas y emocionantes para la tecnología de impresión 4D, incluidos textiles inteligentes, electrónica blanda, dispositivos biomédicos e ingeniería de tejidos.
"Usando una tinta compuesta impresa en un solo paso, podemos lograr geometrías de hidrogel que cambian de forma que contienen más complejidad que cualquier otra técnica, y podemos hacerlo simplemente modificando la ruta de impresión", dijo Gladman.puede intercambiar diferentes materiales para ajustar propiedades como la conductividad o la biocompatibilidad ".
La tinta compuesta que usa el equipo fluye como un líquido a través del cabezal de impresión, pero se solidifica rápidamente una vez impresa. Se pueden usar una variedad de materiales de hidrogel indistintamente, lo que da como resultado diferentes comportamientos sensibles a los estímulos, mientras que las fibrillas de celulosa se pueden reemplazar con otros rellenos anisotrópicos.de elección, incluidos los rellenos conductores.
"Nuestro modelo matemático prescribe las rutas de impresión necesarias para lograr la respuesta de transformación de forma deseada", dijo Matsumoto. "Podemos controlar la curvatura tanto de forma discreta como continua utilizando nuestro método totalmente ajustable y programable".
Específicamente, el modelado matemático resuelve el "problema inverso", que es el desafío de poder predecir cuál debe ser la trayectoria de la herramienta de impresión para codificar los comportamientos de hinchamiento hacia el logro de una forma objetivo específica deseada.
"Es maravilloso poder diseñar y realizar, en una estructura diseñada, algunas de las soluciones de la naturaleza", dijo Mahadevan, quien ha estudiado fenómenos como cómo se enrollan los zarcillos botánicos, cómo florecen las flores y cómo se abren y cierran las piñas.. "Al resolver el problema inverso, ahora podemos aplicar ingeniería inversa al problema y determinar cómo variar la inhomogeneidad local, es decir, el espacio entre los filamentos de tinta impresos, y la anisotropía, es decir, la dirección de estos filamentos, para controlar el espacio temporalrespuesta de estas hojas que cambian de forma. "
"Lo notable de este avance de impresión 4D realizado por Jennifer y su equipo es que permite el diseño de casi cualquier forma arbitraria y transformable a partir de una amplia gama de materiales disponibles con diferentes propiedades y aplicaciones potenciales, estableciendo verdaderamente una nueva plataforma para la impresión.Estructuras dinámicas de microescala autoensamblables que podrían aplicarse a una amplia gama de aplicaciones industriales y médicas ", dijo el director fundador del Wyss Institute, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es profesor de Biología Vascular Judah Folkman en Harvard MedicalSchool y el Programa de Biología Vascular del Boston Children's Hospital y Profesor de Bioingeniería en Harvard SEAS.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica en Harvard . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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