Impressão 4D - 4D printing
A impressão 4-dimensional ( impressão 4D ; também conhecida como bioprinting 4D , origami ativo ou sistemas de metamorfose ) usa as mesmas técnicas de impressão 3D por meio da deposição de material programada por computador em camadas sucessivas para criar um objeto tridimensional . No entanto, na impressão 4D, a forma 3D resultante é capaz de se transformar em diferentes formas em resposta a estímulos ambientais, com a 4ª dimensão sendo a mudança de forma dependente do tempo após a impressão. É, portanto, um tipo de matéria programável , em que após o processo de fabricação, o produto impresso reage com os parâmetros do ambiente (umidade, temperatura, tensão, etc.) e muda sua forma de acordo.
Técnicas de impressão
A estereolitografia é uma técnica de impressão 3D que usa fotopolimerização para ligar o substrato que foi colocado camada sobre camada, criando uma rede polimérica. Ao contrário da modelagem por deposição fundida, onde o material extrudado endurece imediatamente para formar camadas, a impressão 4D é fundamentalmente baseada na estereolitografia, onde na maioria dos casos a luz ultravioleta é usada para curar os materiais em camadas após a conclusão do processo de impressão. A anisotropia é vital para projetar a direção e a magnitude das transformações sob uma determinada condição, organizando os micromateriais de forma que haja uma direcionalidade embutida na impressão acabada.
Arquitetura de fibra
A maioria dos sistemas de impressão 4D utiliza uma rede de fibras que variam em tamanho e propriedades do material. Os componentes impressos em 4D podem ser projetados tanto na escala macro quanto na escala micro. O projeto em microescala é obtido por meio de simulações moleculares / de fibras complexas que aproximam as propriedades do material agregado de todos os materiais usados na amostra. O tamanho, forma, módulo e padrão de conexão desses blocos de construção de materiais têm uma relação direta com a forma de deformação sob ativação de estímulo.
Polímeros / hidrogéis hidro-reativos
Skylar Tibbits é a diretora do Laboratório de Auto-montagem do MIT e trabalhou com o Stratasys Materials Group para produzir um polímero composto composto por elementos altamente hidrofílicos e elementos não ativos altamente rígidos. As propriedades únicas desses dois elementos díspares permitiram até 150% de inchaço de certas partes da corrente impressa na água, enquanto os elementos rígidos definem a estrutura e as restrições de ângulo para a corrente transformada. Eles produziram uma corrente que soletraria "MIT" quando submersa na água, e outra corrente que se transformaria em um cubo de arame quando submetida às mesmas condições.
Compostos de celulose
Thiele et al. explorou as possibilidades de um material à base de celulose que poderia ser responsivo à umidade. Eles desenvolveram um filme de bicamada usando ésteres de esteroílo de celulose com diferentes graus de substituição em cada lado. Um éster tinha um grau de substituição de 0,3 (altamente hidrofílico ) e o outro tinha um grau de substituição de 3 (altamente hidrofóbico ). Quando a amostra foi resfriada de 50 ° C a 22 ° C, e a umidade relativa aumentou de 5,9% para 35 %, o lado hidrofóbico se contraiu e o lado hidrofílico inchou, fazendo com que a amostra se enrolasse firmemente. Este processo é reversível, pois a reversão das mudanças de temperatura e umidade fez com que a amostra se desenrolasse novamente.
Compreender o inchaço anisotrópico e mapear o alinhamento das fibrilas impressas permitiu a A. Sydney Gladman et al . para imitar o comportamento nasático das plantas. Ramos, caules, brácteas e flores respondem a estímulos ambientais, como umidade, luz e toque, variando o turgor interno de suas paredes celulares e a composição do tecido. Tendo precedência a partir disso, a equipe desenvolveu uma arquitetura de hidrogel composto com comportamento de inchaço anisotrópico local que imita a estrutura de uma parede celular típica. As fibrilas de celulose se combinam durante o processo de impressão em microfibrilas com uma razão de aspecto alta (~ 100) e um módulo de elasticidade na escala de 100 GPa. Essas microfibrilas são incorporadas em uma matriz de acrilamida macia para estrutura.
A tinta viscoelástica usada para imprimir este composto de hidrogel é uma solução aquosa de N, N-dimetilacrilamida, nanoargila, glicose oxidase, glicose e celulose nanofibrilada. A nanoargila é um auxiliar reológico que melhora o fluxo do líquido, e a glicose evita a inibição do oxigênio quando o material é curado com luz ultravioleta. Experimentando com esta tinta, a equipe criou um modelo teórico para um caminho de impressão que dita a orientação das fibrilas de celulose, onde a camada inferior da impressão é paralela ao eixo xe a camada superior da impressão é girada no sentido anti-horário por um ângulo θ. A curvatura da amostra é dependente dos módulos elásticos, taxas de dilatação e taxas de espessura da camada e espessura da bicamada. Assim, os modelos ajustados que descrevem a curvatura média e a curvatura gaussiana são, respectivamente,
e
Gladman et al. descobriram que quando θ se aproxima de 0 °, a curvatura se aproxima da equação de Timoshenko clássica e tem um desempenho semelhante a uma faixa bimetálica . Mas conforme θ se aproxima de 90 °, a curvatura se transforma em uma forma de sela. Compreendendo isso, então, a equipe poderia controlar cuidadosamente os efeitos da anisotropia e quebrar as linhas de simetria para criar helicoides, perfis ondulados e muito mais.
Polímeros / hidrogéis termo-reativos
Poli (N-isopropilacrilamida) , ou pNIPAM , é um material termo-responsivo comumente usado. Um hidrogel de pNIPAM torna-se hidrofílico e incha em uma solução aquosa de 32 ° C, sua baixa temperatura crítica de solução. Temperaturas acima dessas começam a desidratar o hidrogel e fazer com que ele encolha, alcançando a transformação da forma. Hidrogéis compostos de pNIPAM e algum outro polímero, como acrilato de 4-hidroxibutil (4HBA), exibem forte reversibilidade, onde mesmo após 10 ciclos de mudança de forma não há deformação de forma. Shannon E. Bakarich et al. criou um novo tipo de tinta de impressão 4D composta de hidrogéis de emaranhamento covalente iônico que têm uma estrutura semelhante aos hidrogéis de rede dupla padrão. A primeira rede de polímero é reticulada com cátions metálicos, enquanto a segunda é reticulada com ligações covalentes. Este hidrogel é então emparelhado com uma rede pNIPAM para têmpera e atuação térmica. Em testes de laboratório, este gel mostrou uma recuperação de forma de 41% -49% quando a temperatura aumentou 20–60 ° C (68–140 ° F) e, em seguida, foi restaurado para 20 ° C. Uma válvula inteligente de controle de fluido impressa neste material foi projetada para fechar ao tocar em água quente e abrir ao tocar em água fria. A válvula permaneceu aberta com sucesso na água fria e reduziu a vazão de água quente em 99%. Este novo tipo de hidrogel impresso em 4D é mais robusto mecanicamente do que outros hidrogéis de atuação térmica e mostra potencial em aplicações como estruturas de automontagem, tecnologia médica, robótica suave e tecnologia de sensores.
Polímeros de memória de forma digital
Os polímeros com memória de forma (SMPs) são capazes de recuperar sua forma original de uma forma deformada sob certas circunstâncias, como quando expostos a uma temperatura por um período de tempo. Dependendo do polímero, pode haver uma variedade de configurações que o material pode assumir em várias condições de temperatura. Os SMPs digitais utilizam tecnologia de impressão 3D para projetar com precisão a colocação, geometria e taxas de mistura e cura de SMPs com propriedades diferentes, como transição de vidro ou temperaturas de transição de fusão de cristal. Yiqi Mao et al . usou isso para criar uma série de dobradiças SMP digitais que têm comportamentos termo-mecânicos e de memória de forma prescritos diferentes, que são inseridos em materiais rígidos e inativos. Assim, a equipe foi capaz de desenvolver uma amostra autodobrável que poderia se dobrar sem interferir em si mesma e até mesmo se interligar para criar uma estrutura mais robusta. Um dos projetos inclui uma caixa dobrável modelada a partir de uma caixa de correio do USPS.
Qi Ge et al . projetou SMPs digitais com base em constituintes com vários módulos de borracha e temperaturas de transição vítrea com deformações de falha extremamente alta de até 300% maiores do que os materiais imprimíveis existentes. Isso permitiu que eles criassem uma pinça multimaterial que poderia agarrar e soltar um objeto de acordo com uma entrada de temperatura. As juntas grossas foram feitas de SMPs para maior robustez, enquanto as pontas das microgrampas poderiam ser projetadas separadamente para acomodar um contato seguro para o objeto de transporte.
Relaxamento do estresse
O relaxamento de tensão na impressão 4D é um processo no qual um conjunto de material é criado sob tensão que fica "armazenado" dentro do material. Essa tensão pode ser liberada posteriormente, causando uma mudança geral na forma do material.
Polímeros foto-reativos térmicos
Este tipo de atuação polimérica pode ser descrito como relaxamento de estresse foto-induzido .
Essa tecnologia aproveita a curvatura do polímero impulsionada pela temperatura, expondo as costuras de curvatura desejadas a tiras focalizadas de luz intensa. Essas costuras dobradas são impressas em um estado de tensão, mas não se deformam até serem expostas à luz. O agente ativo que induz a flexão do material é o calor transmitido por luz intensa. O próprio material é feito de polímeros foto-reativos químicos. Esses compostos usam uma mistura de polímero combinada com um fotoiniciador para criar um polímero reticulado covalente amorfo. Este material é formado em folhas e carregado em tensão perpendicular à dobra de dobra desejada.
O material é então exposto a um comprimento de onda de luz específico, à medida que o fotoiniciador é consumido, ele polimeriza a mistura restante, induzindo um relaxamento por estresse fotoiniciado . A parte do material exposta à luz pode ser controlada com estênceis para criar padrões de dobra específicos. Também é possível executar várias iterações desse processo usando a mesma amostra de material com diferentes condições de carregamento ou máscaras de estêncil para cada iteração. A forma final dependerá da ordem e da forma resultante de cada iteração.
Aplicativos atuais
Biomédico
A equipe de pesquisa da Dra. Lijie Grace Zhang na Universidade George Washington criou um novo tipo de resina líquida fotocurável para impressão em 4D . Esta resina é feita de um composto de acrilato epoxidado de óleo de soja renovável que também é biocompatível. Esta resina adiciona ao pequeno grupo de resinas imprimíveis em 3D e é uma das poucas que são biocompatíveis. Uma amostra impressa a laser em 3D desta resina foi submetida a flutuações de temperatura de -18 ° C a 37 ° C e exibiu recuperação total de sua forma original. Os suportes impressos deste material provaram ser bases de sucesso para o crescimento de células-tronco mesenquimais da medula óssea humana (hMSCs). As fortes qualidades deste material de efeito de memória de forma e biocompatibilidade levam os pesquisadores a acreditar que ele avançará fortemente no desenvolvimento de andaimes biomédicos. Este artigo de pesquisa é um dos primeiros a explorar o uso de polímeros de óleo vegetal como resinas líquidas para produção de estereolitografia em aplicações biomédicas.
A equipe de pesquisa de Leonid Ionov (Universidade de Bayreuth) desenvolveu uma nova abordagem para imprimir hidrogéis biocompatíveis / biodegradáveis que se transformam em forma com células vivas. A abordagem permite a fabricação de tubos ocos auto-dobráveis com controle sem precedentes sobre seus diâmetros e arquiteturas em alta resolução. A versatilidade da abordagem é demonstrada pelo emprego de dois biopolímeros diferentes (alginato e ácido hialurônico) e células estromais da medula óssea de camundongo. O controle dos parâmetros de impressão e pós-impressão permite obter diâmetros internos médios de tubo tão baixos quanto 20 μm, o que ainda não é possível por outras abordagens existentes de bioimpressão e é comparável aos diâmetros dos menores vasos sanguíneos. O processo de bioimpressão 4D proposto não apresenta qualquer efeito negativo sobre a viabilidade das células impressas, e os tubos auto-dobrados à base de hidrogel suportam a sobrevivência celular por pelo menos 7 dias sem qualquer diminuição na viabilidade celular. Consequentemente, a estratégia de bioimpressão 4D apresentada permite a fabricação de arquiteturas dinamicamente reconfiguráveis com funcionalidade e capacidade de resposta ajustáveis, governadas pela seleção de materiais e células adequados.
Aplicações Possíveis
Existem algumas técnicas / tecnologias existentes que podem ser potencialmente aplicadas e ajustadas para impressão 4D.
Força de tração celular
Cell Traction Force (CTF) é uma técnica em que células vivas se dobram e movem microestruturas em sua forma projetada. Isso é possível por meio da contração que ocorre a partir da polimerização da actina e das interações da actomiosina dentro da célula. Em processos naturais, a CTF regula a cicatrização de feridas, angiogênese , metástase e inflamação . Takeuchi et al. células semeadas em duas microplacas e, quando a estrutura de vidro foi removida, as células preencheram a lacuna na microplaca e, assim, iniciaram a autofecundação. A equipe foi capaz de criar geometrias semelhantes a vasos e até mesmo dodecaedros de alto rendimento com este método. Especula-se que a utilização dessa técnica de origami celular levará ao projeto e à impressão de uma estrutura carregada de células que pode imitar suas contrapartes não sintéticas após a conclusão do processo de impressão.
Materiais Inteligentes Elétricos e Magnéticos
Os materiais elétricos responsivos que existem hoje mudam de tamanho e forma dependendo da intensidade e / ou direção de um campo elétrico externo. A polianilina e o polipirrol (PPy) são, em particular, bons materiais condutores e podem ser dopados com tetrafluoroborato para se contrair e expandir sob um estímulo elétrico. Um robô feito com esses materiais foi feito para se mover usando um pulso elétrico de 3 V por 5 segundos, fazendo com que uma perna se estendesse, retirando o estímulo por 10 segundos, fazendo com que a outra perna se movesse para frente. Pesquisas sobre nanotubos de carbono , que são biocompatíveis e altamente condutores, indicam que um composto feito de nanotubo de carbono e um espécime com memória de forma tem maior condutividade elétrica e velocidade de resposta eletroativa do que qualquer espécime sozinho. Ferrogéis com resposta magnética se contraem na presença de um campo magnético forte e, portanto, têm aplicações na distribuição de drogas e células. A combinação de nanotubos de carbono e partículas magneticamente responsivas foi bioimpressa para uso na promoção do crescimento e adesão celular, enquanto ainda mantém uma forte condutividade.
Comércio e transporte
Skylar Tibbits desenvolve futuras aplicações de materiais impressos em 4D como produtos programáveis que podem ser adaptados a ambientes específicos e respondem a fatores como temperatura, umidade, pressão e som do corpo ou ambiente. Tibbits também menciona a vantagem da impressão 4D para aplicações de remessa - permitirá que os produtos sejam embalados planos para, posteriormente, ter sua forma projetada ativada no local por um simples estímulo. Também existe a possibilidade de contêineres de transporte impressos em 4D que reagem às forças em trânsito para distribuir uniformemente as cargas. É muito provável que os materiais impressos 4D consigam se consertar após uma falha. Esses materiais poderão se auto-desmontar, tornando suas partes constituintes fáceis de reciclar.