Revolutionierung der biomedizinischen Technik:4D-Druck intelligenter elektromechanischer Materialien

Universidad Carlos III de Madrid, Spanien

Ein neuer intelligenter Drucker ermöglicht die Herstellung weicher Multifunktionsmaterialien durch kontinuierliche Anpassung der Extrusionsparameter. Durch die Kombination experimenteller und rechnerischer Methoden werden leitfähige und magnetoaktive Materialien mit mechanischen Eigenschaften gedruckt, die biologisches Gewebe nachahmen. (Bild:UC3M)

Forscher der Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) haben Software und Hardware für einen 4D-Drucker mit Anwendungen im biomedizinischen Bereich entwickelt. Zusätzlich zum 3D-Druck ermöglicht diese Maschine die Steuerung zusätzlicher Funktionen:Sie können die Reaktion des Materials so programmieren, dass es unter einem externen Magnetfeld zu einer Formänderung kommt oder sich bei mechanischer Verformung Änderungen seiner elektrischen Eigenschaften entwickeln.

Diese Forschungslinie konzentriert sich auf die Entwicklung weicher multifunktionaler Strukturen, die aus Materialien mit mechanischen Eigenschaften bestehen, die biologische Gewebe wie Gehirn oder Haut nachahmen. Darüber hinaus können sie ihre Form oder Eigenschaften ändern, wenn sie durch äußere Reize wie Magnetfelder oder elektrische Ströme aktiviert werden.

Bisher hatte dieses Forscherteam mehrere Fortschritte bei der Gestaltung und Herstellung dieser Strukturen erzielt, doch waren sie hinsichtlich der Formgestaltung und der Programmierung intelligenter Reaktionen nur sehr begrenzt. Die Arbeit wurde in ihrer neuesten Studie vorgestellt, die in der Zeitschrift Advanced Materials Technologies veröffentlicht wurde hat es ihnen ermöglicht, durch die Entwicklung einer neuartigen 4D-Druckmethode neue Möglichkeiten zu eröffnen.

„Mit dieser Technologie können wir nicht nur die Art und Weise steuern, wie wir dreidimensionale Strukturen drucken, sondern ihnen auch die Möglichkeit geben, ihre Eigenschaften oder Geometrie als Reaktion auf die Einwirkung externer Magnetfelder zu ändern oder ihre elektrischen Eigenschaften zu ändern, wenn sie sich verformen“, erklärte einer der Forscher, Daniel García González, Leiter des ERC 4D-BIOMAP (GA 947723)-Projekts und außerordentlicher Professor in der Abteilung für Kontinuumsmechanik und Struktur der UC3M Theorie.

Diese Art des Druckens ist komplex, da das zu extrudierende Material während des Druckvorgangs vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Daher ist es notwendig, die Materialdynamik zu verstehen, um den Herstellungsprozess anzupassen und ein Material zu erhalten, das ausreichend flüssig ist, wenn es durch die Druckerdüse fließt, aber fest genug, um eine bestimmte Form beizubehalten.

Zu diesem Zweck haben sie eine interdisziplinäre Methodik entwickelt, die theoretische und experimentelle Techniken kombiniert und es ihnen ermöglicht, das Druckgerät einschließlich der Hardware und Software von Grund auf zu bauen.

Die Forscher haben außerdem ein neues Materialkonzept entwickelt, das sich selbständig heilen kann, ohne dass ein Zutun von außen erforderlich ist. „Dieses Material besteht aus einer weichen Polymermatrix, in die magnetische Partikel mit einem remanenten Feld eingebettet sind. Für praktische Zwecke ist es so, als hätten wir kleine Magnete im Material verteilt, so dass die resultierenden Teile, wenn sie brechen, beim erneuten Zusammenfügen physisch zusammengefügt werden und ihre strukturelle Integrität wiederherstellen“, sagte González.

Dank dieser Fortschritte konnte das Team drei Arten von Funktionsmaterialien drucken:einige, die ihre Form und Eigenschaften als Reaktion auf externe Magnetfelder ändern; andere mit Selbstheilungsfähigkeit; und andere, deren elektrische Eigenschaften (Leitfähigkeit) je nach Form oder Verformung variieren.

Die Kombination von Materialien mit Selbstheilungsfähigkeiten, deren elektrische Leitungseigenschaften mit der Verformung variieren, eröffnet enorme Möglichkeiten bei der Entwicklung von Sensoren und Soft-Robotern.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Fco. Javier Alonso unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; 916-249-035.