p "Eu acho que você está mudo." Esta foi a frase mais usada de 2020, de acordo com Recursos Humanos Online. Estampado em camisetas e estampado em canecas de café, usamos o meme para nos divertirmos enquanto aprendíamos ferramentas de videoconferência como Zoom e Microsoft's Teams. p Mas para os mais de 7 milhões de americanos que sofrem de distúrbios vocais, não ser ouvido é um assunto sério. Muitas pessoas que têm habilidades normais de fala têm grande dificuldade em se comunicar quando estão com a voz, a laringe, falha. Isso pode ocorrer se as cordas vocais, as duas bandas de tecido muscular liso na laringe, sofrer danos de um acidente, procedimento cirúrgico, infecção viral ou câncer.

p Não há substituição para as cordas vocais quando o dano é grave ou permanente. Agora, uma equipe de cientistas de materiais da Escola de Engenharia da Universidade da Virgínia desenvolveu um material macio com a promessa de novos tratamentos no futuro. Seu novo material macio, chamado de elastômero, é muito extensível e 10, 000 vezes mais macia do que uma borracha convencional, combinando as propriedades mecânicas das cordas vocais. O elastômero pode ser impresso em 3D para uso na área de saúde.

p Liheng Cai, professor assistente de ciência dos materiais e engenharia e engenharia química, supervisiona esta pesquisa. Cai também tem um cargo de cortesia em engenharia biomédica e lidera o Soft Biomatter Lab na UVA. O laboratório de Cai trabalha para entender e controlar as interações entre materiais macios ativos, tais como polímeros responsivos ou géis biológicos, e sistemas vivos, como bactérias ou células e tecidos do corpo humano.

p O pesquisador de pós-doutorado de Cai, Shifeng Nian e Ph.D. o aluno Jinchang Zhu co-autor do artigo da equipe, "Imprimível tridimensional, Extremamente macio, Esticável, e elastômeros reversíveis de montagem dirigida por arquitetura molecular, "publicado e apresentado como artigo de capa em Química de Materiais . Colaboradores incluem Baoxing Xu, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na UVA, que realizou simulações para entender a deformação de impressos em 3D, estruturas extremamente macias.

p A equipe desenvolveu uma nova estratégia para fazer esses elastômeros macios para impressão em 3D. Eles usaram um novo tipo de polímero com uma arquitetura especial que lembra a escova para limpar pequenos vidros, mas na escala molecular. O polímero tipo escova de garrafa, quando conectado para formar uma rede, permite materiais extremamente macios que imitam tecidos biológicos.

p Cai começou a provar o potencial dos polímeros para frascos como um pós-doutorado na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Harvard John H. Paulson. A engenharia colaborativa de Cai de borracha macia, porém "seca" foi publicada em Materiais avançados .

p Agora, Cai e sua equipe desenvolveram uma nova maneira de usar associações fortes - embora reversíveis dependendo da temperatura - para reticular polímeros semelhantes a escovas de garrafa para formar uma borracha. A ideia é usar síntese química para anexar um polímero vítreo a cada extremidade de um polímero semelhante a uma escova de garrafas. Esses polímeros vítreos se auto-organizam espontaneamente para formar esferas em nanoescala que são as mesmas das garrafas plásticas de água. Eles são rígidos em temperatura ambiente, mas derretem em alta temperatura; isso pode ser explorado para imprimir estruturas suaves em 3D.

p A elasticidade do seu material pode ser ajustada de aproximadamente 100 a 10, 000 pascal na escala de pressão que o material pode suportar. O limite inferior, aproximadamente 100 pascals, é um milhão de vezes mais macio que os plásticos e 10, 000 vezes mais suave do que os elastômeros convencionais para impressão em 3D. Além disso, eles podem ser aumentados em até 600%.

p "Sua extrema suavidade, elasticidade e termoestabilidade são um bom presságio para aplicações futuras, "Cai disse.

p Cai credita a Nian por desenvolver a química para sintetizar polímeros de escova de garrafas com arquitetura precisamente controlada para prescrever a suavidade e a elasticidade dos elastômeros. O elastômero pode ser usado como tinta em uma impressora 3D para criar uma forma geométrica com as qualidades da borracha.

p A impressora 3D em si é do tamanho de um refrigerador de dormitório. Zhu projetou sob medida o bico para o sistema de extrusão que dispara os materiais em uma quantidade prescrita em um espaço 3D, guiado por um programa de computador específico para o objeto desejado.

p Nian obteve seu Ph.D. em química da UVA em 2018, e ingressou no laboratório de Biomatter Macio da Cai como pós-doutorado. "O grupo do Dr. Cai me dá a oportunidade de expandir minha pesquisa da química clássica ao desenvolvimento de materiais; estamos inventando muitos materiais interessantes com mecânica especial, propriedades elétricas e ópticas, "Nian disse.

p O que é legal sobre o material macio da equipe é sua capacidade de se auto-organizar e montar conforme cada gota é depositada. Quando o material à base de silicone é carregado pela primeira vez no cartucho de tinta, tem a consistência de mel, meio sólido e meio líquido. À medida que a impressão avança, o solvente liga as camadas e, em seguida, evapora para construir o objeto perfeitamente. Além disso, você pode refazer se cometer algum erro, pois o material é 100% reprocessável e reciclável.

p "Os elastômeros convencionais para impressão em 3D são intrinsecamente rígidos; o processo de impressão geralmente requer suporte mecânico externo ou pós-tratamento, "Cai disse." Aqui, demonstramos a aplicabilidade do nosso elastômero como tintas para estruturas 3D de impressão de gravação direta. "

p Para estudar a forma como as moléculas do material se interconectam, A equipe de Cai colaborou com Guillaume Freychet e Mikhail Zhernenkov, cientistas da linha de luz do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA. Eles conduziram experimentos usando a sofisticada ferramenta de raios-X da National Synchrotron Light Source II, especificamente a linha de luz de interfaces de matéria mole, para revelar a composição interna dos materiais impressos sem danificar as amostras.

p "A linha de luz SMI é ideal para este tipo de pesquisa devido à sua alta intensidade de feixe de raios-X, excelente ajuste de transferência de energia e momento, e um fundo muito baixo. Trabalhando com a equipe de Cai, pudemos ver como o polímero tipo escova de garrafa se junta em uma rede reticulada, "Zhernenkov disse.

p Cai estima que a equipe está a dois ou três anos de ver seus elastômeros em uso prático, um ritmo acelerado possibilitado pelo método de impressão 3D da equipe. Às vezes chamado de manufatura aditiva, A impressão 3D é um ponto forte de pesquisa do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UVA; pesquisadores nesta área procuram compreender a física subjacente aos processos de manufatura aditiva à medida que criam novos sistemas de materiais.

p Melhorar a saúde é apenas um motivador para suas pesquisas.

p "Acreditamos que nossas descobertas estimularão o desenvolvimento de novos materiais suaves como tintas para impressão 3D, que pode ser a base para uma ampla gama de dispositivos adaptativos e estruturas, como sensores, eletrônica extensível e robótica suave, "Cai disse.