Um dispositivo de conceito LCE impresso em DLP de uma gaiola espinhal com uma arquitetura de rede porosa. Crédito:N / A
Os tecidos biológicos evoluíram ao longo de milênios para serem perfeitamente otimizados para suas funções específicas. Pegue a cartilagem como exemplo. É um complacente, tecido elástico que é macio o suficiente para amortecer as articulações, mas forte o suficiente para resistir à compressão e suportar a carga substancial de nossos corpos:chave para o funcionamento, pulando, e nosso desgaste diário.
Criar substitutos sintéticos que realmente correspondam às propriedades e comportamentos dos tecidos biológicos não tem sido fácil. Mas os cientistas da Universidade do Colorado em Denver, liderado pelo professor de engenharia mecânica Chris Yakacki, Ph.D., são os primeiros a imprimir um complexo em 3D, estrutura de rede porosa usando elastômeros de cristal líquido (LCEs) criando dispositivos que podem finalmente imitar a cartilagem e outros tecidos biológicos.
A equipe CU Denver, incluindo o professor Kai Yu, Ph.D., pós-doutorado Devesh Mistry, Ph.D., e o estudante de doutorado Nicholas Traugutt, bem como cientistas da Southern University of Science and Technology na China, relatou suas descobertas esta semana no jornal Materiais avançados .
Revolução na fabricação de LCEs
Yakacki, que trabalha no Laboratório de Materiais e Biomecânica (SMAB) da CU Denver, começou a trabalhar com LCEs em 2012. O soft, materiais multifuncionais são conhecidos por sua elasticidade e capacidade extraordinária de dissipar alta energia. Em 2018, Yakacki recebeu um prêmio NSF CAREER para revolucionar a capacidade de fabricação de LCEs e várias rodadas de financiamento para desenvolvê-los como um amortecedor para capacetes de futebol. Mesmo assim, ele sabia que suas aplicações poderiam ir mais longe.
"Todo mundo já ouviu falar de cristais líquidos porque você os encara na tela do telefone, "diz Yakacki." E provavelmente você já ouviu falar de polímeros de cristal líquido porque isso é exatamente o que o Kevlar é. Nosso desafio era colocá-los em polímeros macios, como elastômeros, para usá-los como amortecedores. É aí que você desce as camadas de complexidade. "
LCEs são difíceis de manipular. Até agora, a maioria dos pesquisadores pode criar objetos grandes com detalhes mínimos ou muitos detalhes em estruturas praticamente microscópicas. Mas, como acontece com as telas do telefone, grandes dispositivos com alta resolução são onde está o futuro. Os produtos químicos e o processo de impressão de Yakacki e de sua equipe reduziram a dificuldade a quase zero.
Sua motivação:dissipação controlada em escalas de comprimento da química da resina (mesoescala), para a arquitetura de rede em microescala, e a macroestrutura geral das estruturas impressas. Crédito:N / A
Iluminando a resina parecida com o mel
Para seu estudo, Yakacki e sua equipe exploraram um processo de impressão 3-D chamado processamento digital de luz (DLP). A equipe desenvolveu uma resina LC semelhante ao mel que, quando atingido com luz ultravioleta, curas - formando novas ligações em uma sucessão de finas camadas de fotopolímero. A resina curada final forma um Forte, e elastômero compatível. Quando impresso em estruturas reticuladas - níveis de padronização semelhantes a um favo de mel - foi quando ele começou a imitar a cartilagem.
O grupo imprimiu várias estruturas, incluindo um minúsculo, flor de lótus detalhada e um protótipo de uma gaiola de fusão espinhal, criando o maior dispositivo LCE com mais detalhes. A combinação da resina e do processo de impressão também levou a uma dependência de taxa 12 vezes maior e uma dissipação de energia de deformação até 27 vezes maior em comparação com as impressas a partir de uma resina de elastômero fotocurável comercialmente disponível.
De capacetes de futebol à espinha
Daqui para frente, as estruturas têm várias aplicações, como espuma para capacete de futebol americano com absorção de choque ou mesmo pequenos implantes biomédicos para os dedos dos pés. Yakacki está mais animado com suas possibilidades na coluna vertebral.
Protótipo de gaiola espinhal LCE
"A coluna vertebral está cheia de desafios e é um problema difícil de resolver, "disse Yakacki." As pessoas tentaram fazer discos de tecido espinhal sintético e não fizeram um bom trabalho. Com impressão 3-D, e a alta resolução que obtivemos dele, você pode combinar exatamente a anatomia de uma pessoa. Um dia, podemos ser capazes de cultivar células para consertar a coluna, Mas para agora, podemos dar um passo à frente com a próxima geração de materiais. É para lá que gostaríamos de ir. "
