2022
09/21
相关创新主体

创新背景

以前从未在3D和4D打印中使用过受控聚合,因为典型的受控聚合过程的速度对于3D/4D打印来说太慢了,而在3D/4D打印中,反应必须非常快,才能达到实际打印速度。而且目前的3D打印方法通常受到苛刻条件的限制,如强紫外线和有毒化学物质,这限制了它们在制造生物材料方面的使用。

 

创新过程

新南威尔士大学悉尼分校的研究人员在周五发表在《Angewandte Chemie International Edition》上的一篇论文中揭示了3D/4D打印和光控/活聚合(一种制造聚合物的化学过程)的成功结合。

4D打印是3D打印的一个子集,打印的对象可以根据特定的条件改变其形状。聚合物可以是合成的,如塑料,也可以是生物的,如DNA。

这项研究建立在新南sw悉尼博耶尔实验室2014年发现的PET-RAFT聚合(光诱导电子/能量转移-可逆加成碎片链转移聚合)的基础上,这是一种利用可见光制造可控聚合物的新方法,使用的是CSIRO (Graeme Moad, San Thang和Enzo Rizzard)发现的可逆加成碎片链转移(RAFT)聚合技术。

 

 

与传统聚合物不同的是,这种聚合物在制造后就“死亡”了,它可以被重新激活以进一步生长。

自这一发展以来,该技术得到了扩展,并被证明在许多应用中制造控制良好的分子是有用的,包括药物递送和其他生物材料。

该研究的第一作者Cyrille Boyer表示,他的团队的最新突破是开发了一种使用PET-RAFT聚合的新型3D打印系统,使3D打印材料在打印后可以很容易地进行修改。

博耶尔教授表示,以前从未在3D和4D打印中使用过受控聚合,因为典型的受控聚合过程的速度对于3D/4D打印来说太慢了,而在3D/4D打印中,反应必须非常快,才能达到实际打印速度。经过两年的研究和数百次实验,研究人员开发了一种与3D打印兼容的快速工艺。

与传统的3D打印相比,使用可见光的新方法允许研究人员控制聚合物的结构,并调整所制备的材料的机械性能。这种新工艺也让人们有机会进行4D打印,并允许材料转换或功能化,这在以前是不可能的。

 

 

新南威尔士大学的纳撒尼尔·科里根(Nathaniel Corrigan)和新南威尔士大学的博士生张志恒(Zhiheng Zhang)共同撰写了第一篇论文。论文表示新系统的一个额外优势是能够精细控制3d打印材料中的所有分子。

4D打印是3D打印的一个子集。但有了4D打印技术,3D打印的物体可以改变其形状、化学或物理特性,并适应其环境。在研究人员的工作中,3D打印材料可以在暴露在水中然后干燥时可逆地改变其形状。

例如,3D物体一开始是一个平面,当暴露在特定条件下,它会开始折叠——这就是4D材料。所以,第四个维度是时间。

主要的应用是回收,因为它可以被修复和重复使用,而不是一次性使用一个塑料物体。对于普通的回收,把材料拿走后必须重新构造它们,但对于新的‘活’材料,它将能够自我修复。

随着PET-RAFT聚合技术在3D打印中的应用,研究人员可以利用可见光而不是典型的聚合方法——加热来生产长聚合物分子。使用40度以上的温度会杀死细胞,但对于可见光聚合就可以使用室温,所以细胞的活力要高得多。

 

创新关键点

4D打印是3D打印的一个子集。但有了4D打印技术,3D打印的物体可以改变其形状、化学或物理特性,并适应其环境。在研究人员的工作中,3D打印材料可以在暴露在水中然后干燥时可逆地改变其形状。

与传统的3D打印相比,使用可见光的新方法允许研究人员控制聚合物的结构,并调整所制备的材料的机械性能。这种新工艺也让人们有机会进行4D打印,并允许材料转换或功能化,这在以前是不可能的。

 

创新价值

这种新的可控聚合方法,即研究人员利用可见光来创造一种对环境友好的“活的”塑料或聚合物,为制造先进固体材料开辟了新的可能性。

这种新方法还可以广泛应用于日常用品,尤其是在变形或破损的物品需要修复或修改时。

 

 

通过这种新工艺制成的物体可以更容易地用于先进的生物应用,例如组织工程,组织结构被用来形成新的、可存活的组织,用于医疗目的。

 

3D printing uses polymerization technology to produce "living" 4D materials

In a paper published Friday in Angewandte Chemie International Edition, researchers at the University of New South Wales Sydney revealed the successful combination of 3D/4D printing and photocontrolled/live polymerization, a chemical process for making polymers.

4D printing is a subset of 3D printing in which objects can change their shape depending on specific conditions. Polymers can be synthetic, like plastics, or biological, like DNA.

This research builds on the discovery in 2014 of PET-RAFT polymerization (Photoinduced Electron/Energy Transfer-Reversible Addition Fragment chain Transfer polymerization) at the Boyer Laboratory in Sydney, New South SW, which is a new way to make controllable polymers using visible light, The reversible addition fragment chain transfer (RAFT) polymerization technique discovered by CSIRO (Graeme Moad, San Thang and Enzo Rizzard) was used.

Unlike conventional polymers, this one "dies" after it is made and can be reactivated for further growth.

Since this development, the technology has been expanded and proved useful for making well-controlled molecules in many applications, including drug delivery and other biomaterials.

Cyrille Boyer, lead author of the study, said his team's latest breakthrough was the development of a new 3D printing system using PET-raft polymerization that allows 3D printed materials to be easily modified after printing.

Prof Boyer said controlled polymerization had never been used in 3D and 4D printing before because the speed of the typical controlled polymerization process was too slow for 3D/4D printing, where reactions have to be very fast to achieve actual printing speeds. After two years of research and hundreds of experiments, the researchers developed a fast process that is compatible with 3D printing.

In contrast to traditional 3D printing, the new method using visible light allows researchers to control the structure of the polymer and adjust the mechanical properties of the prepared material. The new process also gives people the opportunity to do 4D printing and allows materials to be transformed or functionalized in ways that were not possible before.

Nathaniel Corrigan of UNSW and Zhiheng Zhang, a PhD student at UNSW, co-authored the first paper. The paper says an added advantage of the new system is the ability to finely control all the molecules in the 3D-printed material.

4D printing is a subset of 3D printing. But with 4D printing, 3D-printed objects can change their shape, chemical or physical properties and adapt to their environment. In the researchers' work, 3D-printed materials can reversibly change their shape when exposed to water and then dried.

For example, a 3D object starts out as a flat surface, and when exposed to certain conditions, it will start to fold - that's a 4D material. So, the fourth dimension is time.

The main application is recycling because it can be repaired and reused instead of using a plastic object once. With ordinary recycling, materials must be reconstructed after they are taken away, but with new 'living' materials, it will be able to repair itself.

With the use of PET-RAFT polymerization in 3D printing, researchers can produce long polymer molecules using visible light instead of heating, the typical polymerization method. Using temperatures above 40 degrees will kill the cells, but for visible light polymerization you can use room temperature, so the cells are much more viable.

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