馬德里卡洛斯三世大學(xué)(UC3M)的研究人員為4D打印機(jī)創(chuàng)建了軟件和硬件，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。

除了3D打印之外，這臺(tái)機(jī)器還允許控制額外的功能：對(duì)材料的響應(yīng)進(jìn)行編程，以便在外部磁場(chǎng)下發(fā)生形狀變化，或者在機(jī)械變形下發(fā)生其電性能的變化。這為軟機(jī)器人或智能傳感器和基板的設(shè)計(jì)打開(kāi)了大門，這些傳感器和基板將信號(hào)傳輸?shù)讲煌姆涓C系統(tǒng)，以及其他應(yīng)用。

該研究線的重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)柔軟的多功能結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)由具有模仿大腦或皮膚等生物組織的機(jī)械性能的材料組成。此外，當(dāng)通過(guò)外部刺激(例如磁場(chǎng)或電流)驅(qū)動(dòng)時(shí)，它們能夠改變其形狀或特性。

到目前為止，這組研究人員在設(shè)計(jì)和制造這些結(jié)構(gòu)方面取得了一些進(jìn)展，但他們?cè)谛螤钤O(shè)計(jì)和智能響應(yīng)編程方面非常有限。他們發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》雜志上的最新研究中提出的工作使他們能夠通過(guò)開(kāi)發(fā)新穎的4D打印方法開(kāi)辟新的可能性。

“這項(xiàng)技術(shù)不僅使我們能夠控制打印三維結(jié)構(gòu)的方式，而且還使它們能夠響應(yīng)外部磁場(chǎng)的作用而改變其屬性或幾何形狀，或者在它們變形時(shí)修改其電特性的能力”，其中一位研究人員Daniel García González解釋說(shuō)，他是ERC 4D-BIOMAP(GA 947723)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，也是UC3M連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和結(jié)構(gòu)理論系的副教授。

這種類型的印刷很復(fù)雜，因?yàn)橐獢D出的材料在印刷過(guò)程中從液體過(guò)渡到固體。因此，有必要了解材料動(dòng)力學(xué)以適應(yīng)制造過(guò)程，并獲得材料在流過(guò)打印機(jī)噴嘴時(shí)具有足夠的液體，但同時(shí)又足夠堅(jiān)固以保持特定的形狀。

為此，他們開(kāi)發(fā)了一種跨學(xué)科的方法，結(jié)合了理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使他們能夠從頭開(kāi)始構(gòu)建打印設(shè)備，包括設(shè)備的物理部分(硬件)和允許控制它的計(jì)算機(jī)程序(軟件)。

自我修復(fù)材料

研究人員還開(kāi)發(fā)了一種新的材料概念，能夠在不需要外部作用的情況下自主修復(fù)，根據(jù)最近發(fā)表在《復(fù)合材料B部分：工程》雜志上的另一篇出版物。

“這種材料由嵌入具有剩余場(chǎng)的磁性顆粒的軟聚合物基質(zhì)組成。出于實(shí)際目的，就好像我們?cè)诓牧现蟹植剂诵〈盆F，因此，如果它破裂，當(dāng)產(chǎn)生的零件再次組合在一起時(shí)，它們將在物理上連接以恢復(fù)其結(jié)構(gòu)完整性“，丹尼爾·加西亞·岡薩雷斯說(shuō)。

由于這些進(jìn)步導(dǎo)致了幾項(xiàng)注冊(cè)專利，這些科學(xué)家已經(jīng)能夠打印三種類型的功能材料：一些響應(yīng)外部磁場(chǎng)而改變其形狀和特性;其他具有自我修復(fù)能力的人;以及其他電性能(電導(dǎo)率)根據(jù)其形狀或變形而變化的人。

對(duì)于第一種材料，他們開(kāi)發(fā)了智能基質(zhì)，將力和信號(hào)傳遞到細(xì)胞系統(tǒng)，以便它們可以影響細(xì)胞增殖或遷移等生物過(guò)程。這些材料還可用于設(shè)計(jì)性能可以通過(guò)磁場(chǎng)控制的軟機(jī)器人。

材料具有自愈能力，其導(dǎo)電性能隨變形而變化，為傳感器的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了巨大的可能性。

“我們可以想到附著在我們身體上的傳感器，從電導(dǎo)率的變化中收集有關(guān)我們運(yùn)動(dòng)的信息。此外，該材料的自愈能力允許設(shè)計(jì)具有二進(jìn)制信號(hào)的傳感器。例如，如果我們膝蓋受傷并且需要將旋轉(zhuǎn)限制在最大值，我們可以在關(guān)節(jié)上加入一小段這種材料。這樣，當(dāng)我們超過(guò)這個(gè)最大旋轉(zhuǎn)時(shí)，材料會(huì)斷裂，顯示其電性能的突然變化，從而提供警告信號(hào)。然而，當(dāng)膝蓋恢復(fù)到放松狀態(tài)時(shí)，材料的愈合能力將導(dǎo)致電信號(hào)的恢復(fù)。通過(guò)這種方式，我們可以監(jiān)測(cè)我們的運(yùn)動(dòng)并警告手術(shù)后或康復(fù)期間的危險(xiǎn)情況“，丹尼爾·加西亞·岡薩雷斯說(shuō)。