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哈佛研究人员开发出生态友好的形状记忆3D打印材料

时间:2020-09-09 08:49 来源:未知 作者:中国3D打印网 阅读:
中国3D打印网9月9日讯,哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员已经开发出一种3D打印材料,该材料可以预先编程为具有可逆的形状记忆功能。哈佛团队的新型长丝由两条角蛋白链组成,这些角蛋白链排列成扭曲在一起的弹簧状结构。一旦组合成“线圈”,该材料就可以改变为任何形状,然后以“形状记忆效应”恢复其原始形状。
        考虑到该团队的生物相容性材料是使用再生羊毛制成的,该聚合物还具有潜在的生态效益,并在医疗修复和纺织领域得到了应用。该论文的资深作者基特·帕克说:“通过这个项目,我们证明了我们不仅可以回收羊毛,而且可以用从未想象过的回收羊毛来制造东西。利用再生的角蛋白,我们所能做的与剪羊毛所能做的一样多或更多,并减少了纺织和时装业对环境的影响。”
  对形状记忆材料的需求不断增长
        近年来,形状记忆材料的应用数量呈指数增长。土木工程,航空航天,可穿戴设备和医疗设备领域的公司都显示出对可定制聚合物的需求不断增长,并且比现有聚合物具有更大的灵活性。尽管最近在该领域进行了研究,但是开发可定制和生物相容的材料仍然是一个挑战。特别是,事实证明,很难在所有空间尺度上都以分子水平控制聚合物的致动机制。
         形状记忆特征通常与合成物有关,但是它们也可以在生物基质中看到,基于角蛋白的螺旋表明连续的结构转变。在诸如海蜗牛卵囊或动物皮肤之类的生物组织中,他们通过进化发展了这种机械转化,以保护它们免受捕食者侵害。受到自然界中应用的启发,哈佛团队着手在高度可加工的印刷材料中复制反应。
       研究人员的新型长丝特别基于动物毛中存在的角蛋白各向异性组织。使用天然羊毛作为团队3D打印材料的基础,具有许多优点,例如水触发响应和比类似的现有系统更高的拉伸强度。基于挤出的生产也被证明与羊毛高度兼容,因为它可以自组织成“原纤维”(或簇),从而提高了可加工性。
哈佛团队使用他们的新颖材料创建了一系列具有形状记忆功能的结构
  哈佛团队使用他们的新颖材料创建了一系列具有形状记忆功能的结构。 Gif通过哈佛SEAS。
  哈佛团队的羊毛长丝
        该研究小组使用了从废弃服装的安哥拉羊毛中提取的原纤维角蛋白来制造新型3D打印聚合物。为了提取和利用羊毛中的角蛋白含量,研究小组使用了溴化锂和二硫苏糖醇(DTT)溶液的组合来诱导固液转变。然后将所得结晶的角蛋白进一步挤出,将其从蛋白质浓液变成可印刷的水凝胶。
        为了评估化学反应的影响,研究小组部署了低温透射电子显微镜,以验证单个角蛋白链已成功形成卷曲螺旋。结果表明,单链已经汇聚成较大的原纤维,约3nm,几乎没有蛋白质降解的迹象。进一步的显微照片测试还表明,该材料的抗张强度为+ 1.03MPa,与尼龙和丝纤维的抗张强度相同。

          至关重要的是,还发现原纤维在受到剪切应力时会自组织成向列晶相,而在预编程的刺激下会恢复为原始形状。为了评估其新材料的形状记忆潜力,哈佛团队3D将角蛋白片印刷成各种形状和结构。 然后使用过氧化氢和磷酸二氢钠的混合物使形状永久不变,然后将原型浸入水中。一旦进入水下,这些材料就变得具有延展性,可以重塑成所需的任何布局,但是当它们被去除时,干燥的纤维又恢复了它们的预编程形状。

基于羊毛的材料能够重塑为折纸星的预编程形状

研究人员证明,基于羊毛的材料能够重塑为折纸星的预编程形状(如图)。图片来自哈佛SEAS。
      随着纤维干燥以及它们的氢键开始重整,这些片材显示出应力的突然增加,这与材料恢复到与以前相同的拉伸强度水平相对应。再水化后,经过数个应力应变循环,纤维的恢复效率达到了接近100%的值,并且可观察到的收缩率最小。
         中国3D打印网点评:他们创建了一种独特的基于层次结构的基于纤维的3D打印材料,该材料具有形状记忆特性和较高的机械稳定性。哈佛大学的研究小组认为,他们的可再生资源将来可能被利用来生产可生物降解的智能纺织品,例如可吸收人体机能的服装或吸收应变能的医疗产品。帕克总结道:“无论您是使用这种纤维制造每天可定制杯子尺寸和形状的胸罩,还是尝试制造用于医疗的致动纺织品,我们的工作可能性都是广阔而令人兴奋的,我们正在继续通过使用生物分子作为工程基质来重新构想纺织品,就像以前从未使用过的一样。”
  以前开发的形状记忆聚合物
       鉴于形状记忆材料的最终用途越来越多,因此许多其他研究人员开发了他们自己的基于聚合物的替代品也就不足为奇了。苏黎世联邦理工学院的科学家开发了一系列具有3D打印形状记忆功能的超常材料。该材料是主动主动部署结构的更广泛研究项目的一部分,可以潜在地用于生物医学,航空航天或工程设备中。
        劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究小组已使用直接墨水书写(DIW)3D打印技术来创建可从压缩状态恢复的有机硅结构。有机硅可能会在“可穿戴保护垫”中有未来的应用,该保护垫能够在特定温度条件下被激活。


       佐治亚理工学院的研究人员已经使用增材制造来制造可拉伸物体,该物体可以根据施加在其上的张力水平来改变形状。可以对该材料进行编程以使其急剧膨胀,使其有可能在未来的生物医学或航空航天产品中使用。


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(责任编辑:中国3D打印网)

weixin
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