Tecnologia Científica
Pesquisadores desenvolvem material imprimavel em 3D que imita tecidos biola³gicos
Os materiais macios e multifuncionais são conhecidos por sua elasticidade e extraordina¡ria capacidade de dissipar alta energia
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University of Colorado Denver - 08/08/2020
Um dispositivo conceito LCE impresso em DLP de uma gaiola
espinhal com uma arquitetura de trelia§a porosa. Crédito: N / A
Os tecidos biola³gicos evoluaram ao longo de milaªnios para serem perfeitamente otimizados para suas funções especaficas. Tome a cartilagem como um exemplo. a‰ um tecido ela¡stico compatavel que émacio o suficiente para amortecer as articulações, mas forte o suficiente para resistir a compressão e suportar a carga de carga substancial de nossos corpos: essencial para correr, pular e nosso desgaste dia¡rio.
Criar substitutos sintanãticos que realmente correspondam a s propriedades e comportamentos dos tecidos biola³gicos não foi fa¡cil. Mas os cientistas da Universidade do Colorado em Denver, liderados pelo professor de engenharia meca¢nica Chris Yakacki, Ph.D., são os primeiros a imprimir em 3D uma estrutura de trelia§a complexa e porosa usando elasta´meros de cristal laquido (LCEs), criando dispositivos que podem finalmente imitar a cartilagem e outros tecidos biola³gicos.
"A coluna estãocheia de desafios e éum problema difacil de resolver", disse Yakacki. "As pessoas tentaram criar discos de tecido espinhal sintanãtico e não fizeram um bom trabalho. Com a impressão em 3D e a alta resolução que obtivemos, épossível combinar exatamente a anatomia de uma pessoa. Um dia, talvez seja possível cultivar células para fixar a coluna, mas, por enquanto, podemos dar um passo adiante com a próxima geração de materiais. a‰ para la¡ que gostaraamos de ir. "
A equipe da CU Denver, incluindo o professor Kai Yu, Ph.D., pa³s-doutorado Devesh Mistry, Ph.D., e doutorando Nicholas Traugutt, bem como cientistas da Universidade do Sul de Ciência e Tecnologia da China, relataram suas descobertas semana na revista Advanced Materials .
Revolução na fabricação de LCEs
Yakacki, que trabalha no laboratório de Materiais Inteligentes e Biomeca¢nica da CU Denver (SMAB), começou a trabalhar com LCEs em 2012. Os materiais macios e multifuncionais são conhecidos por sua elasticidade e extraordina¡ria capacidade de dissipar alta energia . Em 2018, Yakacki recebeu um praªmio NSF CAREER por revolucionar a capacidade de fabricação de LCEs e várias rodadas de financiamento para desenvolvaª-los como amortecedores de capacetes de futebol. Mesmo assim, ele sabia que suas aplicações poderiam ir além .
"Todo mundo já ouviu falar de cristais laquidos porque vocêos observa no visor do telefone", diz Yakacki. "E vocêprovavelmente já ouviu falar de polímeros de cristal laquido, porque éexatamente isso que Kevlar anã. Nosso desafio era transforma¡-los em polímeros moles, como elasta´meros, para usa¡-los como amortecedores. a‰ aa que vocêdesce pelas camadas da complexidade".
Os LCEs são difaceis de manipular. Atéagora, a maioria dos pesquisadores podia criar objetos grandes com manimos detalhes ou altos detalhes em estruturas praticamente microsca³picas. Mas, como nas telas dos telefones, os grandes dispositivos com alta resolução estãono futuro. O processo quamico e de impressão de Yakacki e sua equipe reduziu a dificuldade a quase zero.
Sua motivação: dissipação controlada em escalas de comprimento, desde a química da
resina (mesoescala), atéa arquitetura da estrutura em microescala e a macroestrutura
geral das estruturas impressas. Crédito: N / A
Brilhando uma luz sobre resina semelhante a mel
Para seu estudo, Yakacki e sua equipe exploraram um processo de impressão em 3D chamado processamento digital de luz (DLP). A equipe desenvolveu uma resina LC semelhante a mel que, quando atingida por luz ultravioleta, cura - formando novas ligações em uma sucessão de finas camadas de fotopolímeros. A resina curada final forma um elasta´mero macio, forte e compatavel. Quando impresso em estruturas de trelia§a - naveis de padronização semelhantes a um favo de mel - foi quando começou a imitar a cartilagem.
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O grupo imprimiu várias estruturas, incluindo uma flor de la³tus minaºscula e detalhada e um prota³tipo de uma gaiola de fusão espinhal, criando o maior dispositivo de LCE com mais detalhes. A combinação do processo de resina e impressão também levou a uma dependaªncia de taxa 12 vezes maior e uma dissipação de energia de tensão até27 vezes maior em comparação com aquelas impressas a partir de uma resina de elasta´mero fotocura¡vel disponavel no mercado.
De capacetes de futebol a espinha
No futuro, as estruturas tem várias aplicações, como espuma de capacete de futebol absorvente de choque ou atépequenos implantes biomédicos para os dedos dos panãs. Yakacki estãomais animado com suas possibilidades na coluna vertebral.
Prota³tipo da gaiola espinhal de LCE
"A coluna estãocheia de desafios e éum problema difacil de resolver", disse Yakacki. "As pessoas tentaram criar discos de tecido espinhal sintanãtico e não fizeram um bom trabalho. Com a impressão em 3D e a alta resolução que obtivemos, épossível combinar exatamente a anatomia de uma pessoa. Um dia, talvez seja possível cultivar células para fixar a coluna, mas, por enquanto, podemos dar um passo adiante com a próxima geração de materiais. a‰ para la¡ que gostaraamos de ir. "
