哈佛研究人員開發(fā)出生態(tài)友好的形狀記憶3D打印材料

魔猴君  行業(yè)資訊   1505天前

哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種3D打印材料，該材料可以預(yù)先編程為具有可逆的形狀記憶功能。哈佛團(tuán)隊的新型長絲由兩條角蛋白鏈組成，這些角蛋白鏈排列成扭曲在一起的彈簧狀結(jié)構(gòu)。一旦組合成“線圈”，該材料就可以改變?yōu)槿魏涡螤?，然后以“形狀記憶效?yīng)”恢復(fù)其原始形狀。

考慮到該團(tuán)隊的生物相容性材料是使用再生羊毛制成的，該聚合物還具有潛在的生態(tài)效益，并在醫(yī)療修復(fù)和紡織領(lǐng)域得到了應(yīng)用。該論文的資深作者基特·帕克說：“通過這個項目，我們證明了我們不僅可以回收羊毛，而且可以用從未想象過的回收羊毛來制造東西。利用再生的角蛋白，我們所能做的與剪羊毛所能做的一樣多或更多，并減少了紡織和時裝業(yè)對環(huán)境的影響?！?/span>

對形狀記憶材料的需求不斷增長

近年來，形狀記憶材料的應(yīng)用數(shù)量呈指數(shù)增長。土木工程，航空航天，可穿戴設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的公司都顯示出對可定制聚合物的需求不斷增長，并且比現(xiàn)有聚合物具有更大的靈活性。盡管最近在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究，但是開發(fā)可定制和生物相容的材料仍然是一個挑戰(zhàn)。特別是，事實(shí)證明，很難在所有空間尺度上都以分子水平控制聚合物的致動機(jī)制。

形狀記憶特征通常與合成物有關(guān)，但是它們也可以在生物基質(zhì)中看到，基于角蛋白的螺旋表明連續(xù)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。在諸如海蝸牛卵囊或動物皮膚之類的生物組織中，他們通過進(jìn)化發(fā)展了這種機(jī)械轉(zhuǎn)化，以保護(hù)它們免受捕食者侵害。受到自然界中應(yīng)用的啟發(fā)，哈佛團(tuán)隊著手在高度可加工的印刷材料中復(fù)制反應(yīng)。

研究人員的新型長絲特別基于動物毛中存在的角蛋白各向異性組織。使用天然羊毛作為團(tuán)隊3D打印材料的基礎(chǔ)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如水觸發(fā)響應(yīng)和比類似的現(xiàn)有系統(tǒng)更高的拉伸強(qiáng)度?；跀D出的生產(chǎn)也被證明與羊毛高度兼容，因為它可以自組織成“原纖維”（或簇），從而提高了可加工性。

哈佛團(tuán)隊使用他們的新穎材料創(chuàng)建了一系列具有形狀記憶功能的結(jié)構(gòu)。 Gif通過哈佛SEAS。

哈佛團(tuán)隊的羊毛長絲

該研究小組使用了從廢棄服裝的安哥拉羊毛中提取的原纖維角蛋白來制造新型3D打印聚合物。為了提取和利用羊毛中的角蛋白含量，研究小組使用了溴化鋰和二硫蘇糖醇（DTT）溶液的組合來誘導(dǎo)固液轉(zhuǎn)變。然后將所得結(jié)晶的角蛋白進(jìn)一步擠出，將其從蛋白質(zhì)濃液變成可印刷的水凝膠。

為了評估化學(xué)反應(yīng)的影響，研究小組部署了低溫透射電子顯微鏡，以驗證單個角蛋白鏈已成功形成卷曲螺旋。結(jié)果表明，單鏈已經(jīng)匯聚成較大的原纖維，約3nm，幾乎沒有蛋白質(zhì)降解的跡象。進(jìn)一步的顯微照片測試還表明，該材料的抗張強(qiáng)度為+ 1.03MPa，與尼龍和絲纖維的抗張強(qiáng)度相同。

至關(guān)重要的是，還發(fā)現(xiàn)原纖維在受到剪切應(yīng)力時會自組織成向列晶相，而在預(yù)編程的刺激下會恢復(fù)為原始形狀。為了評估其新材料的形狀記憶潛力，哈佛團(tuán)隊3D將角蛋白片印刷成各種形狀和結(jié)構(gòu)。 然后使用過氧化氫和磷酸二氫鈉的混合物使形狀永久不變，然后將原型浸入水中。一旦進(jìn)入水下，這些材料就變得具有延展性，可以重塑成所需的任何布局，但是當(dāng)它們被去除時，干燥的纖維又恢復(fù)了它們的預(yù)編程形狀。

研究人員證明，基于羊毛的材料能夠重塑為折紙星的預(yù)編程形狀（如圖）。圖片來自哈佛SEAS。

隨著纖維干燥以及它們的氫鍵開始重整，這些片材顯示出應(yīng)力的突然增加，這與材料恢復(fù)到與以前相同的拉伸強(qiáng)度水平相對應(yīng)。再水化后，經(jīng)過數(shù)個應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)，纖維的恢復(fù)效率達(dá)到了接近100％的值，并且可觀察到的收縮率最小。

點(diǎn)評：他們創(chuàng)建了一種獨(dú)特的基于層次結(jié)構(gòu)的基于纖維的3D打印材料，該材料具有形狀記憶特性和較高的機(jī)械穩(wěn)定性。哈佛大學(xué)的研究小組認(rèn)為，他們的可再生資源將來可能被利用來生產(chǎn)可生物降解的智能紡織品，例如可吸收人體機(jī)能的服裝或吸收應(yīng)變能的醫(yī)療產(chǎn)品。帕克總結(jié)道：“無論您是使用這種纖維制造每天可定制杯子尺寸和形狀的胸罩，還是嘗試制造用于醫(yī)療的致動紡織品，我們的工作可能性都是廣闊而令人興奮的，我們正在繼續(xù)通過使用生物分子作為工程基質(zhì)來重新構(gòu)想紡織品，就像以前從未使用過的一樣?！?/span>

以前開發(fā)的形狀記憶聚合物

鑒于形狀記憶材料的最終用途越來越多，因此許多其他研究人員開發(fā)了他們自己的基于聚合物的替代品也就不足為奇了。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)了一系列具有3D打印形狀記憶功能的超常材料。該材料是主動主動部署結(jié)構(gòu)的更廣泛研究項目的一部分，可以潛在地用于生物醫(yī)學(xué)，航空航天或工程設(shè)備中。

勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）的研究小組已使用直接墨水書寫（DIW）3D打印技術(shù)來創(chuàng)建可從壓縮狀態(tài)恢復(fù)的有機(jī)硅結(jié)構(gòu)。有機(jī)硅可能會在“可穿戴保護(hù)墊”中有未來的應(yīng)用，該保護(hù)墊能夠在特定溫度條件下被激活。

佐治亞理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)使用增材制造來制造可拉伸物體，該物體可以根據(jù)施加在其上的張力水平來改變形狀?？梢詫υ摬牧线M(jìn)行編程以使其急劇膨脹，使其有可能在未來的生物醫(yī)學(xué)或航空航天產(chǎn)品中使用。

來源：https://www.3ddayin.net/3ddayincailiao/qitacailiao/39618.html