哈佛研究人員開發出生態友好的形狀記憶3D打印材料

魔猴君  行業資訊   1535天前

哈佛大學工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員已經開發出一種3D打印材料，該材料可以預先編程為具有可逆的形狀記憶功能。哈佛團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構。一旦組合成“線圈”，該材料就可以改變為任何形狀，然后以“形狀記憶效應”恢復其原始形狀。

考慮到該團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效益，并在醫療修復和紡織領域得到了應用。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對環境的影響。”

對形狀記憶材料的需求不斷增長

近年來，形狀記憶材料的應用數量呈指數增長。土木工程，航空航天，可穿戴設備和醫療設備領域的公司都顯示出對可定制聚合物的需求不斷增長，并且比現有聚合物具有更大的靈活性。盡管最近在該領域進行了研究，但是開發可定制和生物相容的材料仍然是一個挑戰。特別是，事實證明，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制。

形狀記憶特征通常與合成物有關，但是它們也可以在生物基質中看到，基于角蛋白的螺旋表明連續的結構轉變。在諸如海蝸牛卵囊或動物皮膚之類的生物組織中，他們通過進化發展了這種機械轉化，以保護它們免受捕食者侵害。受到自然界中應用的啟發，哈佛團隊著手在高度可加工的印刷材料中復制反應。

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隊3D打印材料的基礎，具有許多優點，例如水觸發響應和比類似的現有系統更高的拉伸強度。基于擠出的生產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。

哈佛團隊使用他們的新穎材料創建了一系列具有形狀記憶功能的結構。 Gif通過哈佛SEAS。

哈佛團隊的羊毛長絲

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）溶液的組合來誘導固液轉變。然后將所得結晶的角蛋白進一步擠出，將其從蛋白質濃液變成可印刷的水凝膠。

為了評估化學反應的影響，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。結果表明，單鏈已經匯聚成較大的原纖維，約3nm，幾乎沒有蛋白質降解的跡象。進一步的顯微照片測試還表明，該材料的抗張強度為+ 1.03MPa，與尼龍和絲纖維的抗張強度相同。

至關重要的是，還發現原纖維在受到剪切應力時會自組織成向列晶相，而在預編程的刺激下會恢復為原始形狀。為了評估其新材料的形狀記憶潛力，哈佛團隊3D將角蛋白片印刷成各種形狀和結構。 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，但是當它們被去除時，干燥的纖維又恢復了它們的預編程形狀。

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，這些片材顯示出應力的突然增加，這與材料恢復到與以前相同的拉伸強度水平相對應。再水化后，經過數個應力應變循環，纖維的恢復效率達到了接近100％的值，并且可觀察到的收縮率最小。

點評：他們創建了一種獨特的基于層次結構的基于纖維的3D打印材料，該材料具有形狀記憶特性和較高的機械穩定性。哈佛大學的研究小組認為，他們的可再生資源將來可能被利用來生產可生物降解的智能紡織品，例如可吸收人體機能的服裝或吸收應變能的醫療產品。帕克總結道：“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，我們正在繼續通過使用生物分子作為工程基質來重新構想紡織品，就像以前從未使用過的一樣。”

以前開發的形狀記憶聚合物

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。蘇黎世聯邦理工學院的科學家開發了一系列具有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構的更廣泛研究項目的一部分，可以潛在地用于生物醫學，航空航天或工程設備中。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究小組已使用直接墨水書寫（DIW）3D打印技術來創建可從壓縮狀態恢復的有機硅結構。有機硅可能會在“可穿戴保護墊”中有未來的應用，該保護墊能夠在特定溫度條件下被激活。

佐治亞理工學院的研究人員已經使用增材制造來制造可拉伸物體，該物體可以根據施加在其上的張力水平來改變形狀。可以對該材料進行編程以使其急劇膨脹，使其有可能在未來的生物醫學或航空航天產品中使用。

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