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Impresión 4D

La impresión 4D ( también conocida como bioimpresión 4D , origami activo o sistemas de transformación de formas ) utiliza las mismas técnicas que la impresión 3D mediante la dep...

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La impresión 4D ( también conocida como bioimpresión 4D , origami activo o sistemas de transformación de formas ) utiliza las mismas técnicas que la impresión 3D mediante 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 a estímulos ambientales, 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 ]

Técnicas de impresión

La estereolitografía es una técnica de impresión 3D que utiliza la fotopolimerización para unir el sustrato depositado 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 magnitud de las transformaciones bajo una condición dada, mediante la disposición de los micromateriales de manera que exista una direccionalidad inherente en la impresión final. [ 8 ] [ 9 ]

Arquitectura de fibra

Uno de los polímeros compuestos que Tibbits et al . imprimieron, reacciona al sumergirse bajo el agua.

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 pueden diseñarse tanto a macroescala como a microescala. El diseño a microescala se logra mediante complejas simulaciones moleculares/de fibras 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 materiales tienen una relación directa con la forma de deformación bajo activación por estímulo. [ 4 ] [ 10 ]

Polímeros hidrorreactivos/hidrogeles

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 por elementos altamente hidrofílicos y elementos no activos y altamente rígidos. Las propiedades únicas de estos dos elementos dispares permitieron una hinchazón de hasta el 150 % en ciertas partes de la cadena impresa en agua, mientras que los elementos rígidos establecieron restricciones de estructura y ángulo para la cadena transformada. Produjeron una cadena que formaba la palabra "MIT" al sumergirse en agua, y otra cadena que se transformaba en un cubo de estructura de alambre al someterse a las mismas condiciones. [ 1 ]

Actuación higromnémica versus higromórfica

La actuación higromnémica es una técnica de actuación activada por la humedad inspirada en el comportamiento de memoria de forma sensible a la humedad de los polímeros. [ 11 ] [ 12 ] En este enfoque, los actuadores emplean un método de pre-restricción para almacenar formas que luego pueden recuperarse al exponerse a la humedad ambiental. [ 13 ]

Se han utilizado materiales altamente sensibles a la humedad para permitir la actuación mediante impresión 4D, lo que los hace particularmente adecuados para sistemas higromnémicos. [ 14 ] Durante la actuación, el mecanismo puede bloquearse selectivamente: la deformación fuera del plano puede detenerse mientras continúa la deformación en el plano. Esta restricción selectiva permite que el actuador almacene formas intermedias actuadas, ampliando así el rango de posibles modos de deformación. [ 13 ]

Los actuadores higromórficos responden a los cambios de humedad mediante la expansión diferencial de capas. Esta expansión diferencial se puede lograr combinando diferentes materiales en capas separadas [ 15 ] o variando la orientación de impresión de un solo material [ 16 ] . En comparación con la actuación higromórfica, la actuación higromnémica ofrece un mayor espacio de diseño para transformaciones de materiales programables, lo que permite trayectorias de movimiento más complejas y versátiles [ 13 ] [ 17 ] .

compuestos de celulosa

Thiele et al. exploraron las posibilidades de un material a base de 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 un grado de sustitución de 3 (altamente hidrófobo ). Cuando la muestra se enfrió de 50  °C a 22  °C y la humedad relativa aumentó del 5,9 % al 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 al revertir los cambios de temperatura y humedad la muestra se desenrolló de nuevo. [ 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, tallos, brácteas y flores responden a estímulos ambientales como la humedad, la luz y el tacto variando la turgencia interna de sus paredes celulares y la composición del tejido. [ 18 ] Tomando como precedente esto, el equipo desarrolló una arquitectura de hidrogel compuesto con un comportamiento de hinchazón anisotrópica 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 blanda de acrilamida para estructura.

La tinta viscoelástica utilizada para imprimir este hidrogel compuesto es una solución acuosa de N,N-dimetilacrilamida, nanoarcilla, glucosa oxidasa , glucosa y celulosa nanofibrilada. La nanoarcilla es un auxiliar reológico que mejora el flujo del líquido, y la glucosa previene la inhibición por 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 un ángulo θ. La curvatura de la muestra depende de los módulos elásticos, las relaciones de hinchamiento y las relaciones de espesor de capa y espesor de bicapa. Por lo tanto, los modelos ajustados que describen la curvatura media y la curvatura gaussiana son, respectivamente,

H=do1α∥−α⊥hpecado2⁡(θ)do2−do3porque⁡(2θ)+metro4porque⁡(4θ){\displaystyle H=c_{1}{\frac {\alpha _{\parallel }-\alpha _{\perp }}{h}}{\frac {\sin ^{2}(\theta )}{c_{2}-c_{3}\cos(2\theta )+m_{4}\cos(4\theta )}}}

y

K=−do4(α∥−α⊥)2h2pecado2⁡(θ)do5−do6porque⁡(2θ)+metro4porque⁡(4θ){\displaystyle K=-c_{4}{\frac {(\alpha _{\parallel }-\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 aproxima a 0°, la curvatura se asemeja a la ecuación clásica de Timoshenko y se comporta de forma similar a una tira bimetálica . Pero a medida que θ se aproxima a 90°, la curvatura se transforma en una forma de silla de montar. Comprendiendo 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 ]

Polímeros/hidrogeles termorreactivos

El poli(N-isopropilacrilamida) , o pNIPAM , es un material termosensible de uso común. Un hidrogel de pNIPAM se vuelve hidrofílico y se hincha en una solución acuosa a 32  °C, su temperatura crítica de solución baja. Temperaturas superiores a esta comienzan a deshidratar el hidrogel y hacen que se contraiga, logrando así una transformación de forma. Los hidrogeles compuestos de pNIPAM y algún otro polímero, como el acrilato de 4-hidroxibutilo (4HBA), exhiben una fuerte reversibilidad, donde incluso después de 10 ciclos de cambio de forma no hay deformación de forma. [ 8 ] [ 19 ] 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 polimérica está reticulada con cationes metálicos, mientras que la segunda está reticulada con enlaces covalentes. Este hidrogel se combina con una red de pNIPAM para mejorar su resistencia y lograr una actuación térmica. En pruebas de laboratorio, este gel mostró una recuperación de forma del 41 % al 49 % cuando la temperatura aumentó entre 20 y 60 °C (68 y 140 °F) , y luego se restauró a 20 °C. Se diseñó una válvula inteligente de control de fluidos, impresa con este material, para que se cerrara al contacto con agua caliente y se abriera al contacto con 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 mecánicamente más robusto que otros hidrogeles de actuación térmica y muestra potencial en aplicaciones como estructuras autoensamblables, tecnología médica, robótica blanda y tecnología de sensores. [ 20 ]   

Esquema de un componente SMP entrelazado.
Un sistema de plegado automático y entrelazado que imita el procedimiento de plegado de un buzón del servicio postal estadounidense (USPS).

Polímeros digitales con memoria de forma

Vídeo a cámara rápida de una pinza SMP desarrollada por Qi Ge et al . para agarrar y soltar objetos.

Los polímeros con memoria de forma (SMP) pueden recuperar su forma original tras una deformación, bajo ciertas circunstancias, como al exponerse a una temperatura durante un tiempo. Dependiendo del polímero, el material puede adoptar diversas configuraciones en diferentes condiciones de temperatura. Los SMP digitales utilizan tecnología de impresión 3D para diseñar con precisión la ubicación, la geometría y las proporciones de mezcla y curado de SMP con propiedades diferentes, como la temperatura de transición vítrea o la temperatura de transición cristal-fusión. [ 21 ] Yiqi Mao et al . utilizaron esto para crear una serie de bisagras de SMP digitales con diferentes comportamientos termomecánicos y de memoria de forma preestablecidos, que se injertan en materiales rígidos e inactivos. De esta forma, el equipo pudo desarrollar una muestra auto-plegable que podía plegarse sin interferir consigo misma e incluso entrelazarse para crear una estructura más robusta. Uno de los proyectos incluye una caja auto-plegable modelada a partir de un buzón de correos del USPS. [ 22 ]

Qi Ge et al . diseñaron polímeros con memoria de forma (SMP) digitales basados ​​en constituyentes con módulos elásticos y temperaturas de transición vítrea variables, con deformaciones de rotura extremadamente altas, hasta un 300 % mayores que las de los materiales imprimibles existentes. Esto les permitió crear una pinza multimaterial capaz de sujetar y soltar un objeto en función de la temperatura. Las uniones gruesas se fabricaron con SMP para mayor robustez, mientras que las puntas de las micropinzas se diseñaron por separado para garantizar un contacto seguro con el objeto a transportar. [ 7 ]

Relajación del estrés

La relajación de tensiones 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, provocando un cambio en la forma general del material. [ 23 ]

Polímeros fotorreactivos térmicos

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

Esta tecnología aprovecha la deformación de polímeros inducida por la temperatura, exponiendo las costuras de flexión deseadas a franjas focalizadas de luz intensa. Estas costuras se imprimen bajo tensión, pero no se deforman hasta que se exponen a la luz. El agente activo que induce la flexión en el material es el calor transmitido por la luz intensa. El material en sí está compuesto de polímeros fotorreactivos químicos. Estos compuestos utilizan una mezcla de polímeros combinada con un fotoiniciador para crear un polímero amorfo reticulado covalentemente. Este material se forma en láminas y se somete a tensión perpendicular al pliegue de flexión deseado.

El material se expone a una longitud de onda de luz específica; a medida que se consume el fotoiniciador , este polimeriza la mezcla restante, induciendo una relajación de tensión fotoinducida. La porción de material expuesta a la luz se puede controlar con plantillas para crear patrones de flexión específicos. También es posible realizar múltiples iteraciones de este proceso utilizando la misma muestra de material con diferentes condiciones de carga o máscaras de plantilla en cada iteración. La forma final dependerá del orden y la forma resultante de cada iteración. [ 23 ]

Origen de la actuación

Los conceptos de Actuación Dominada por Fibra y Actuación Dominada por Matriz se desarrollaron para describir los mecanismos subyacentes al movimiento en actuadores de material compuesto de fibra. [ 24 ]

La actuación dominada por fibras se refiere a un modo de actuación en la impresión 4D en el que la deformación se origina principalmente en las fibras incrustadas dentro del material compuesto. Por ejemplo, los compuestos que contienen fibras de madera discontinuas incrustadas en una matriz polimérica exhiben este comportamiento. [ 25 ] [ 26 ] En estos sistemas, muchos polímeros muestran una sensibilidad mínima a los cambios de humedad, lo que resulta en una matriz relativamente estable. Sin embargo, las fibras de madera son altamente absorbentes de humedad y se expanden al exponerse a ella. Esta expansión de las fibras actúa como el principal desencadenante de la actuación de la estructura impresa en 4D, impulsando así la transformación de la forma general.

En contraste, la actuación dominada por la matriz ocurre cuando la principal fuente de deformación proviene de la matriz misma en lugar de las fibras. [ 27 ] [ 28 ] Un ejemplo de este comportamiento se puede observar en materiales compuestos que consisten en fibras cortas de lino reforzadas dentro de una matriz de hidrogel. En tales sistemas, el hidrogel es altamente sensible al secado o la hidratación, lo que lleva a una deformación volumétrica significativa. Las fibras cortas de lino sirven principalmente para restringir la deformación a lo largo de la dirección de impresión, pero debido a su longitud limitada y configuración incrustada, su contribución al proceso de actuación es insignificante. En consecuencia, el movimiento general del actuador está gobernado principalmente por la respuesta de la matriz a las condiciones ambientales.

Aplicaciones actuales

Miao et al. Las partes A, B y C muestran el crecimiento celular en el andamio de soja en comparación con diferentes materiales. La parte D muestra el crecimiento celular en diferentes densidades de relleno dentro del andamio de soja.

Avances en aplicaciones biomédicas

El equipo de investigación de la Dra. Lijie Grace Zhang en la Universidad George Washington [ 29 ] creó un nuevo tipo de resina líquida fotocurable 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 fue sometida 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 impulsará significativamente el desarrollo de andamios biomédicos. Este artículo de investigación es uno de los primeros en explorar 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 método innovador para imprimir hidrogeles biocompatibles/biodegradables con células vivas que cambian de forma. Este método permite la fabricación de tubos huecos autoensamblables con un control sin precedentes sobre sus diámetros y arquitecturas a alta resolución. La versatilidad del método se demuestra mediante el uso de dos biopolímeros diferentes (alginato y ácido hialurónico ) y células estromales de médula ósea de ratón. El control de los parámetros de impresión y postimpresión permite alcanzar diámetros internos promedio de los tubos de tan solo 20  μm, algo que aún no se logra con otros métodos de bioimpresión existentes y que es comparable a los diámetros de los vasos sanguíneos más pequeños. El proceso de bioimpresión 4D propuesto no afecta negativamente la viabilidad de las células impresas, y los tubos autoensamblables a base de hidrogel permiten la supervivencia celular durante al menos 7 días sin disminución de la viabilidad celular. En consecuencia, la estrategia de bioimpresión 4D presentada permite la fabricación de arquitecturas dinámicamente reconfigurables con funcionalidad y capacidad de respuesta ajustables, regidas por la selección de materiales y células adecuados. [ 30 ]

Posibles aplicaciones

Existen algunas técnicas/tecnologías que podrían aplicarse y adaptarse a la impresión 4D.

Fuerza de tracción celular

La fuerza de tracción celular (FTC) es una técnica mediante la cual las células vivas pliegan y mueven microestructuras hasta alcanzar la forma deseada. Esto es posible gracias a la contracción que se produce por la polimerización de actina y las interacciones actomiosina dentro de la célula. En procesos naturales, la FTC regula la cicatrización de heridas, la angiogénesis , la metástasis y la inflamación . Takeuchi et al. sembraron células en dos microplacas, y al retirar la estructura de vidrio, las células unieron los extremos de la microplaca, iniciando así el auto-plegado. El equipo logró crear geometrías similares a vasos sanguíneos e incluso dodecaedros de alto rendimiento con este método. Se especula que la utilización de esta técnica de origami celular permitirá diseñar e imprimir estructuras celulares que imiten a sus contrapartes no sintéticas una vez finalizado el proceso de impresión. [ 8 ]

Materiales inteligentes eléctricos y magnéticos

Los materiales con respuesta eléctrica existentes en la actualidad cambian de tamaño y forma según la intensidad y/o dirección de un campo eléctrico externo o una corriente eléctrica aplicada. La polianilina y el polipirrol (PPy) son, en particular, buenos materiales conductores y pueden doparse con tetrafluoroborato para contraerse y expandirse bajo un estímulo eléctrico. Se diseñó un robot fabricado con estos materiales para moverse mediante un pulso eléctrico de 3 V durante 5 segundos, lo que provocó la extensión de una pierna; posteriormente, al retirar el estímulo durante 10 segundos, la otra pierna se movió hacia adelante. La investigación sobre nanotubos de carbono , que son biocompatibles y altamente conductores, indica que un compuesto formado por nanotubos de carbono y una muestra con memoria de forma presenta una mayor conductividad eléctrica y una mayor velocidad de respuesta electroactiva 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 presentan una alta respuesta eléctrica. Gracias a su elevada conductividad eléctrica, posibilitada por una superficie metálica depositada químicamente, estos compuestos pueden utilizarse en dispositivos eléctricos para la detección de temperatura (si se emplea 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 temperatura múltiple con varios interruptores activados a diferentes temperaturas. Se demostró que la incorporación del recubrimiento metálico no tuvo ningún impacto adverso en el rendimiento de memoria de forma de los interruptores. [ 31 ]

Los ferrogeles con respuesta magnética se contraen en presencia de un campo magnético intenso, lo que les confiere aplicaciones en la administración de fármacos y células. La combinación de nanotubos de carbono y partículas con respuesta magnética se ha bioimpreso para promover el crecimiento y la adhesión celular, manteniendo al mismo tiempo una alta conductividad.

Comercio y transporte

Skylar Tibbits profundiza en las futuras aplicaciones de los materiales impresos en 4D como productos programables que pueden adaptarse 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 empaquetar los productos planos para que su forma diseñada se active posteriormente en el lugar de destino mediante un simple estímulo. También existe la posibilidad de contenedores de envío impresos en 4D que reaccionen a las fuerzas durante el transporte para distribuir uniformemente las cargas. Algunos materiales impresos en 4D podrían repararse a sí mismos tras un fallo o autodesmontarse para facilitar su reciclaje. [ 1 ]

Véase también

Referencias

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