Impresión 4D

La impresión en 4 dimensiones ( impresión 4D ; también conocida como bioimpresión 4D , origami activo o sistemas de transformación de formas ) utiliza las mismas técnicas de impresión 3D a través de la deposición programada por computadora de material en capas sucesivas para crear un objeto tridimensional . Sin embargo, en la impresión 4D, la forma 3D resultante puede transformarse en diferentes formas en respuesta al estímulo ambiental, siendo la cuarta dimensión el cambio de forma dependiente del tiempo después de la impresión. ^{[1] [2] [3]} Por lo tanto, es un tipo de materia programable , en la que después del proceso de fabricación, el producto impreso reacciona con parámetros dentro del entorno (humedad, temperatura, voltaje, etc.) y cambia su forma en consecuencia. ^{[4] [5] [6]}

La estereolitografía es una técnica de impresión 3D que utiliza la fotopolimerización para unir el sustrato que se ha colocado capa sobre capa, creando una red polimérica. A diferencia del modelado por deposición fundida, donde el material extruido se endurece inmediatamente para formar capas, la impresión 4D se basa fundamentalmente en la estereolitografía, donde en la mayoría de los casos se utiliza luz ultravioleta para curar los materiales en capas una vez finalizado el proceso de impresión. ^[7] La ​​anisotropía es vital para diseñar la dirección y la magnitud de las transformaciones en una condición dada, al disponer los micromateriales de manera que haya una direccionalidad incorporada en la impresión final. ^{[8] [9]}

La mayoría de los sistemas de impresión 4D utilizan una red de fibras que varían en tamaño y propiedades materiales. Los componentes impresos en 4D se pueden diseñar tanto a escala macro como micro. El diseño a escala micro se logra mediante simulaciones moleculares/fibrosas complejas que aproximan las propiedades materiales agregadas de todos los materiales utilizados en la muestra. El tamaño, la forma, el módulo y el patrón de conexión de estos bloques de construcción de materiales tienen una relación directa con la forma de deformación bajo la activación del estímulo. ^{[4] [10]}

Skylar Tibbits es el director del Laboratorio de Autoensamblaje del MIT y trabajó con el Grupo de Materiales de Stratasys para producir un polímero compuesto formado por elementos altamente hidrófilos y elementos no activos y altamente rígidos. Las propiedades únicas de estos dos elementos dispares permitieron que ciertas partes de la cadena impresa se hincharan hasta un 150 % en el agua, mientras que los elementos rígidos establecían restricciones de estructura y ángulo para la cadena transformada. Produjeron una cadena que formaría la palabra "MIT" cuando se sumergiera en agua y otra cadena que se transformaría en un cubo con estructura de alambre cuando se sometiera a las mismas condiciones. ^[1]

Thiele et al. exploraron las posibilidades de un material basado en celulosa que pudiera responder a la baja humedad. Desarrollaron una película bicapa utilizando ésteres de estearoilo de celulosa con diferentes grados de sustitución en cada lado. Un éster tenía un grado de sustitución de 0,3 (altamente hidrófilo ) y el otro tenía un grado de sustitución de 3 (altamente hidrófobo ). Cuando la muestra se enfrió de 50 °C a 22 °C, y la humedad relativa aumentó de 5,9% a 35%, el lado hidrófobo se contrajo y el lado hidrófilo se hinchó, lo que provocó que la muestra se enrollara firmemente. Este proceso es reversible, ya que revertir los cambios de temperatura y humedad hizo que la muestra se desenrollara nuevamente. ^[8]

La comprensión de la hinchazón anisotrópica y el mapeo de la alineación de las fibrillas impresas permitieron a A. Sydney Gladman et al . imitar el comportamiento nástico de las plantas. Las ramas, los tallos, las brácteas y las flores responden a estímulos ambientales como la humedad, la luz y el tacto variando la turgencia interna de sus paredes celulares y la composición tisular. ^[11] Tomando como precedente esto, el equipo desarrolló una arquitectura de hidrogel compuesto con un comportamiento de hinchazón anisotrópico local que imita la estructura de una pared celular típica. Las fibrillas de celulosa se combinan durante el proceso de impresión en microfibrillas con una alta relación de aspecto (~100) y un módulo elástico en la escala de 100 GPa. Estas microfibrillas están incrustadas en una matriz de acrilamida suave para la estructura.

La tinta viscoelástica utilizada para imprimir este compuesto de hidrogel es una solución acuosa de N,N-dimetilacrilamida, nanoarcilla, glucosa oxidasa, glucosa y celulosa nanofibrilada. La nanoarcilla es una ayuda reológica que mejora el flujo del líquido y la glucosa evita la inhibición del oxígeno cuando el material se cura con luz ultravioleta. Experimentando con esta tinta, el equipo creó un modelo teórico para una trayectoria de impresión que dicta la orientación de las fibrillas de celulosa, donde la capa inferior de la impresión es paralela al eje x y la capa superior de la impresión gira en sentido antihorario en un ángulo θ. La curvatura de la muestra depende de los módulos elásticos, las proporciones de hinchamiento y las proporciones del espesor de la capa y el espesor de la bicapa. Por lo tanto, los modelos ajustados que describen la curvatura media y la curvatura gaussiana son, respectivamente,

${\displaystyle H=c_{1}{\frac {\alpha _{\paralelo}-\alpha _{\perp}}{h}}{\frac {\sin ^{2}(\theta )}{c_{2}-c_{3}\cos(2\theta )+m_{4}\cos(4\theta )}}}$

y

${\displaystyle K=-c_{4}{\frac {(\alpha _{\paralelo}-\alpha _{\perp})^{2}}{h^{2}}}{\frac {\sin ^{2}(\theta )}{c_{5}-c_{6}\cos(2\theta )+m_{4}\cos(4\theta )}}}$

Gladman et al. descubrieron que, a medida que θ se acerca a 0°, la curvatura se aproxima a la ecuación clásica de Timoshenko y funciona de manera similar a una tira bimetálica . Pero, a medida que θ se acerca a 90°, la curvatura se transforma en una forma de silla de montar. Al comprender esto, el equipo pudo controlar cuidadosamente los efectos de la anisotropía y romper las líneas de simetría para crear helicoides, perfiles ondulados y más. ^[9]

La poli(N-isopropilacrilamida) , o pNIPAM , es un material termorresponsivo de uso común. Un hidrogel de pNIPAM se vuelve hidrófilo y se hincha en una solución acuosa de 32 °C, su temperatura crítica baja de solución. Temperaturas superiores a esa comienzan a deshidratar el hidrogel y hacen que se encoja, logrando así la transformación de la forma. Los hidrogeles compuestos de pNIPAM y algún otro polímero, como el acrilato de 4-hidroxibutilo (4HBA), muestran una fuerte reversibilidad, donde incluso después de 10 ciclos de cambio de forma no hay deformación de la forma. ^{[8] [12]} Shannon E. Bakarich et al. crearon un nuevo tipo de tinta de impresión 4D compuesta de hidrogeles de entrelazamiento covalente iónico que tienen una estructura similar a los hidrogeles de doble red estándar. La primera red de polímero está reticulada con cationes metálicos, mientras que la segunda está reticulada con enlaces covalentes. Este hidrogel se combina luego con una red pNIPAM para endurecerlo y activarlo térmicamente. En pruebas de laboratorio, este gel mostró una recuperación de forma del 41%-49% cuando la temperatura aumentó de 20 a 60 °C (68 a 140 °F), y luego se restableció a 20 °C. Se diseñó una válvula inteligente de control de fluidos impresa a partir de este material para cerrarse al tocar agua caliente y abrirse al tocar agua fría. La válvula se mantuvo abierta con éxito en agua fría y redujo el caudal de agua caliente en un 99%. Este nuevo tipo de hidrogel impreso en 4D es más robusto mecánicamente que otros hidrogeles de activación térmica y muestra potencial en aplicaciones como estructuras autoensamblables, tecnología médica, robótica blanda y tecnología de sensores. ^[13]

Los polímeros con memoria de forma (SMP) pueden recuperar su forma original a partir de una forma deformada en determinadas circunstancias, como cuando se exponen a una temperatura durante un período de tiempo. Dependiendo del polímero, puede haber una variedad de configuraciones que el material puede adoptar en varias condiciones de temperatura. Los SMP digitales utilizan tecnología de impresión 3D para diseñar con precisión la colocación, la geometría y las proporciones de mezcla y curado de los SMP con diferentes propiedades, como las temperaturas de transición vítrea o de transición de cristal a fundido. ^[14] Yiqi Mao et al . utilizaron esto para crear una serie de bisagras SMP digitales que tienen diferentes comportamientos termomecánicos y de memoria de forma prescritos, que se injertan en materiales rígidos no activos. Por lo tanto, el equipo pudo desarrollar una muestra autoplegable que podría plegarse sin interferir consigo misma, e incluso entrelazarse para crear una estructura más robusta. Uno de los proyectos incluye una caja autoplegable modelada a partir de un buzón de correo de USPS. ^[15]

Qi Ge et al . diseñaron SMP digitales basados ​​en constituyentes con módulos gomosos variables y temperaturas de transición vítrea con deformaciones de falla extremadamente altas de hasta un 300 % más grandes que los materiales imprimibles existentes. Esto les permitió crear una pinza multimaterial que podía agarrar y soltar un objeto de acuerdo con una entrada de temperatura. Las juntas gruesas estaban hechas de SMP para mayor robustez, mientras que las puntas de las micropinzas podían diseñarse por separado para acomodar un contacto seguro para el objeto de transporte. ^[7]

La relajación de la tensión en la impresión 4D es un proceso en el que se crea un conjunto de materiales bajo tensión que queda "almacenada" dentro del material. Esta tensión puede liberarse posteriormente, lo que provoca un cambio general en la forma del material. ^[16]

Este tipo de actuación polimérica puede describirse como relajación de tensión fotoinducida .

Esta tecnología aprovecha la curvatura de polímeros impulsada por la temperatura al exponer las costuras de curvatura deseadas a franjas enfocadas de luz intensa. Estas costuras de curvatura se imprimen en un estado de tensión, pero no se deforman hasta que se exponen a la luz. El agente activo que induce la curvatura en el material es el calor transmitido por la luz intensa. El material en sí está hecho de polímeros químicos fotorreactivos. Estos compuestos utilizan una mezcla de polímeros combinada con un fotoiniciador para crear un polímero reticulado covalente amorfo. Este material se forma en láminas y se carga en tensión perpendicular al pliegue de curvatura deseado.

El material se expone entonces a una longitud de onda de luz específica y, a medida que el fotoiniciador se consume, polimeriza la mezcla restante, lo que induce una relajación de la tensión fotoiniciada. La porción de material expuesta a la luz se puede controlar con plantillas para crear patrones de flexión específicos. También es posible ejecutar múltiples iteraciones de este proceso utilizando la misma muestra de material con diferentes condiciones de carga o máscaras de plantilla para cada iteración. La forma final dependerá del orden y la forma resultante de cada iteración. ^[16]

El equipo de investigación de la Dra. Lijie Grace Zhang en la Universidad George Washington ^{[17] creó un nuevo tipo de} resina líquida fotocurable e imprimible en 4D . Esta resina está hecha de un compuesto de acrilato epoxidado de aceite de soja renovable que también es biocompatible. Esta resina se suma al pequeño grupo de resinas imprimibles en 3D y es una de las pocas que son biocompatibles. Una muestra impresa en 3D con láser de esta resina se sometió a fluctuaciones de temperatura de -18 °C a 37 °C y mostró una recuperación completa de su forma original. Los andamios impresos de este material demostraron ser bases exitosas para el crecimiento de células madre mesenquimales de médula ósea humana (hMSC). Las fuertes cualidades de este material de efecto de memoria de forma y biocompatibilidad llevan a los investigadores a creer que hará avanzar fuertemente el desarrollo de andamios biomédicos. Este artículo de investigación es uno de los primeros que explora el uso de polímeros de aceite vegetal como resinas líquidas para la producción de estereolitografía en aplicaciones biomédicas.

El equipo de investigación de Leonid Ionov (Universidad de Bayreuth) ha desarrollado un nuevo método para imprimir hidrogeles biocompatibles/biodegradables con formas cambiantes con células vivas. El método permite la fabricación de tubos huecos autoplegables con un control sin precedentes sobre sus diámetros y arquitecturas a alta resolución. La versatilidad del método se demuestra mediante el empleo de dos biopolímeros diferentes (alginato y ácido hialurónico ) y células estromales de médula ósea de ratón. El aprovechamiento de los parámetros de impresión y posimpresión permite alcanzar diámetros de tubo internos promedio tan bajos como 20 μm, lo que aún no se puede lograr con otros métodos de bioimpresión existentes y es comparable a los diámetros de los vasos sanguíneos más pequeños. El proceso de bioimpresión 4D propuesto no plantea ningún efecto negativo sobre la viabilidad de las células impresas, y los tubos autoplegables basados ​​en hidrogel apoyan la supervivencia celular durante al menos 7 días sin ninguna disminución de la viabilidad celular. En consecuencia, la estrategia de bioimpresión 4D presentada permite la fabricación de arquitecturas reconfigurables dinámicamente con funcionalidad y capacidad de respuesta ajustables, regidas por la selección de materiales y células adecuados. ^[18]

Existen algunas técnicas/tecnologías existentes que potencialmente podrían aplicarse y ajustarse para la impresión 4D.

La fuerza de tracción celular (CTF) es una técnica en la que las células vivas pliegan y mueven microestructuras hasta adoptar la forma diseñada. Esto es posible gracias a la contracción que se produce a partir de la polimerización de actina y las interacciones de actomiosina dentro de la célula. En los procesos naturales, la CTF regula la cicatrización de heridas, la angiogénesis , la metástasis y la inflamación . Takeuchi et al. sembraron células en dos microplacas y, cuando se eliminó la estructura de vidrio, las células crearon un puente sobre la microplaca y, por lo tanto, iniciaron el autoplegado. El equipo pudo crear geometrías similares a vasos e incluso dodecaedros de alto rendimiento con este método. Se especula que la utilización de esta técnica de origami celular conducirá al diseño e impresión de una estructura cargada de células que pueda imitar a sus contrapartes no sintéticas una vez que se haya completado el proceso de impresión. ^[8]

Los materiales sensibles a la electricidad que existen en la actualidad cambian su tamaño y forma dependiendo de la intensidad y/o dirección de un campo eléctrico externo o de la corriente eléctrica aplicada. La polianilina y el polipirrol (PPy) son, en particular, buenos materiales conductores y se pueden dopar con tetrafluoroborato para contraerse y expandirse bajo un estímulo eléctrico. Se hizo que un robot hecho de estos materiales se moviera utilizando un pulso eléctrico de 3 V durante 5 segundos, lo que provocó que una pierna se extendiera, y luego se retiró el estímulo durante 10 segundos, lo que provocó que la otra pierna se moviera hacia adelante. La investigación sobre nanotubos de carbono , que son biocompatibles y altamente conductores, indica que un compuesto hecho de nanotubos de carbono y una muestra con memoria de forma tiene una conductividad eléctrica y una velocidad de respuesta electroactiva más altas que cualquiera de las muestras por separado.

También se ha demostrado que las estructuras compuestas con memoria de forma que incorporan capas superficiales metálicas altamente conductoras son altamente sensibles a la electricidad. Debido a su alta conductividad eléctrica, posibilitada por una superficie metálica revestida sin corriente eléctrica, estos compuestos se pueden utilizar en dispositivos eléctricos para la detección de temperatura (si se utiliza una matriz de polímero con memoria de forma sensible a la temperatura) o como dispositivos de seguridad eléctrica. BQY Chan et al. fabricaron un dispositivo de detección de múltiples temperaturas con varios interruptores activados a diferentes temperaturas. Se demostró que la incorporación del revestimiento metálico no tiene un impacto adverso en el rendimiento de memoria de forma de los interruptores. ^[19]

Los ferrogeles con capacidad de respuesta magnética se contraen en presencia de un campo magnético intenso y, por lo tanto, tienen aplicaciones en la administración de fármacos y células. La combinación de nanotubos de carbono y partículas con capacidad de respuesta magnética se ha bioimpreso para su uso en la promoción del crecimiento y la adhesión celular, manteniendo al mismo tiempo una fuerte conductividad.

Skylar Tibbits habla sobre las futuras aplicaciones de los materiales impresos en 4D como productos programables que se pueden adaptar a entornos específicos y responder a factores como la temperatura, la humedad, la presión y el sonido del cuerpo o del entorno. Tibbits también menciona la ventaja de la impresión 4D para aplicaciones de envío: permitirá que los productos se empaqueten en forma plana para que luego se active su forma diseñada en el lugar mediante un simple estímulo. También existe la posibilidad de que los contenedores de envío impresos en 4D reaccionen a las fuerzas en tránsito para distribuir uniformemente las cargas. Algunos materiales impresos en 4D podrían repararse a sí mismos después de una falla o desmontarse por sí solos para facilitar su reciclaje. ^[1]

• Producto de cuatro dimensiones
• Arquitectura responsiva