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罗格斯大学4D打印智能水凝胶结构 可改变形状和大小

导读: 近日,来自新泽西州新布朗斯维克的Rutgers大学的工程师团队展示了用于智能水凝胶材料的4D打印结构的新方法。这个3D打印的水凝胶结构能够在不同温度下改变形状(因此是4D),所以该过程可以用于组织工程、软机器人和药物输送应用的开发。

近日,来自新泽西州新布朗斯维克的Rutgers大学的工程师团队展示了用于智能水凝胶材料的4D打印结构的新方法。这个3D打印的水凝胶结构能够在不同温度下改变形状(因此是4D),所以该过程可以用于组织工程、软机器人和药物输送应用的开发。

罗格斯大学4D打印智能水凝胶结构 可改变形状和大小

最近在“科学报告”杂志上发表了一个研究项目的详细研究报告。据了解,该项目由罗格斯大学机械与航空航天工程系的助理教授Howon Lee领导。

基于水基凝胶的水凝胶材料在增材制造领域变得越来越重要,特别是对于某些生物医学应用。科学家和工程师们正在迅速发现能够从水凝胶中制造用于生物医学装置、植入物等结构的潜力。

事实证明,3D打印是操作水凝胶材料最有前景的途径之一。正如罗格斯大学的研究人员所表明的那样,可以3D打印高分辨率的水凝胶结构,这种水凝胶结构可以根据温度改变其形状和大小。

这项研究的一个关键因素是研究人员使用的智能水凝胶,他们说这种凝胶可以提供某些器官的结构刚性,并且可以成为将药物输送和释放到体内的有效载体。3D打印水凝胶材料也可以适用于软机器人、柔性传感器和执行器、生物医学设备,并促进细胞生长。

罗格斯大学4D打印智能水凝胶结构 可改变形状和大小

有趣的是,研究中使用的水凝胶材料是相对常见的,并已被科学家数十年来用于各种目的。不过,正如罗格斯大学研究团队所指出的那样,以前从来没有人4D打印过这个材料。

Howon Lee解释说:“这种智能水凝胶的全部潜力到现在还没有被释放出来,我们增加了另外一个维度,这是有史以来第一次有人做到这一点,它们是灵活的、形状变形的材料,我喜欢称它们为聪明的材料。”

在3D打印水凝胶的过程中,工程师使用了一种基于光刻技术的工艺,通过沉积一层树脂,然后用紫外线固化它们,从而形成物体。为了使水凝胶可打印,研究员将其与粘合剂化学品和光敏化学品结合,使得树脂在受光时能够固化。

研究人员还开发了一种方法来控制3D打印的水凝胶物体在暴露于特定条件下会如何收缩或生长。例如,如果3D打印结构放置在温度低于32°C(90°F)的环境中,则会吸收环境中的水分并且尺寸增大。然而,当温度升高到32℃以上时,水凝胶逐渐收缩而失水。

“如果你完全控制了形状,那么你可以编程它的功能,”Lee评论说。“我认为这就是形状变化材料的3D打印的力量。你几乎可以在任何地方应用这个原则。”

另外值得一提的是,智能水凝胶材料可以3D打印的规模。根据研究小组的说法,它可以打印出像人发的宽度一样小,直径“几毫米”的物体。

最终,研究目标是使用4D打印方法和水凝胶创建“活的”结构,可以植入人体器官或组织,用于药物输送或软机器人。

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