A mudança de forma reversível é uma propriedade altamente desejável para muitas aplicações biomédicas, incluindo atuadores mecânicos, robótica suave e músculos artificiais. Alguns materiais podem mudar de tamanho ou forma quando irradiados com luz, desencadear deformação mecânica sem contato direto, oferecendo perspectivas para controle remoto. Para engenharia reversível, estruturas de mudança de forma (RSC) - materiais ativos que respondem a estímulos externos, como luz, calor ou campos elétricos são usados ​​junto com outros materiais não ativos. Embora a impressão 3D multimaterial avançada tenha permitido o design e a fabricação de estruturas RSC, apenas materiais específicos podem ser impressos, restringindo o amplo uso.

Como uma alternativa, um método mais simples foi recentemente apresentado usando o 'padrão de escala de cinza' para controlar a distribuição da intensidade da luz de um padrão projetado em fotopolímeros ou resinas ativadas por luz e induzir reticulação para criar reversível, estruturas de origami 2-D dobráveis ​​e desdobráveis. Diferentes intensidades de luz resultaram em diferentes densidades de reticulação dentro das folhas de polímero fotocurado. Em um novo estudo, Qi e colegas de trabalho transferiram o padrão de tons de cinza para distribuição controlada de intensidade de luz de uma superfície 2-D para impressão 3-D para projetar estruturas RSC camada por camada. Se os padrões da escala de cinza foram bem projetados, uma variedade de estruturas 3-D com a capacidade de encolher e expandir reversivelmente no tempo (quarta dimensão) para o comportamento 4-D foram possíveis. Os resultados agora são publicados em Materiais multifuncionais , IOP Science.

Como prova de princípio, o estudo usou uma impressora de processamento digital de luz (DLP) para impressão em escala de cinza 4-D com uma fonte de luz de projetor UV para imprimir um polímero de resina líquida fotocurável composto de poli (etilenoglicol) diacrilato (PEGDA), butil metacrilato (BMA), acrilato de butila (BA), fotoiniciadores e fotoabsorventes. A estrutura de interesse foi primeiro projetada e dividida em imagens correspondentes a cada camada de impressão. A escala de cinza projetada de cada imagem em diferentes posições espaciais foi processada usando Matlab e passada para o projetor UV para impressão. O princípio de fabricação do material baseou-se na irradiação de luz para o endurecimento fotoinduzido da solução de resina líquida. O produto projetado era uma estrutura com diversas densidades de reticulação em diferentes posições espaciais para permitir mudanças de forma reversíveis.

Quando a estrutura impressa foi imersa em um banho de água, um processo conhecido como dessolvatação começou, como pequenos oligômeros dentro do material reticulado dissimilarmente difundido para fora da estrutura, permitindo que a estrutura impressa se deforme em direção à parte menos curada. Com base no design de padrões de tons de cinza, uma variedade de estruturas autodobráveis ​​foi formada por meio de deformação induzida por dessolvatação.

A mudança de forma foi reversível e relativamente rápida em uma solução de acetona; as estruturas absorveram o solvente para inchar e recuperar sua forma original enquanto ainda estavam em solução. A estrutura recuperada dobraria novamente após a remoção da acetona, revertendo para sua estrutura secundária no ar.

Em princípio, o valor da escala de cinza de cada pixel da imagem fatiada controlou a intensidade da luz ou a dose de luz, o que influenciou a conversão final do material durante a impressão. O processo foi digitalizado para controlar com precisão o padrão de tons de cinza e a construção resultante. Os materiais recentemente desenvolvidos foram caracterizados usando ATR-FTIR (espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier de reflexão total atenuada) para medir o grau de cura (DoC) da amostra fotopolimerizada, seguido pela quantificação do módulo do jovem para testar a rigidez do material, cinética da reação de foto-cura e a quantificação da dessolvatação vs. recuperação.

Estruturas ativas que mudam de forma ou funcionam reversivelmente em resposta a estímulos externos têm aplicações em engenharia aeroespacial, dispositivos médicos e eletrônicos flexíveis como polímeros com memória de forma. Estruturas autoexpansíveis / encolhíveis são úteis como atuadores leves e para aplicações como stents endovasculares. Esses designs também foram projetados no estudo como materiais de autoexpansão / encolhimento usando o método de impressão 4-D em escala de cinza. O tempo de transformação variou entre 6 minutos em acetona e 25 minutos no ar. O conceito foi então estendido de uma superfície plana para uma forma de cubo usando o mesmo método, o tempo de recuperação em acetona foi de cerca de 4 min e o tempo de secagem ao ar foi de 8 min. Usando o mesmo conceito, Wu et al. também criou uma estrutura semelhante a uma flor para encolher na solução e florescer no ar.

Os pesquisadores também desenvolveram estruturas auxéticas avançadas ou metamateriais (que intrinsecamente têm um coeficiente de Poisson negativo) combinados com materiais normais (coeficiente de Poisson positivo) empregando a técnica de impressão, para projetar a transformação entre os dois.

O método de impressão 4-D em tons de cinza foi desenvolvido como uma prova de princípio para fornecer uma técnica simples e econômica para criar estruturas ativas. Os autores propõem uma gama de aplicações biomédicas potenciais para os materiais de engenharia como materiais compostos em robótica macia e stents endovasculares.

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