Uma equipe de cientistas do Instituto Wyss para Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard e da Harvard John A. Paulson, Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) evoluiu sua tecnologia de microescala de impressão 3-D para 4-D.
O método foi inspirado pela forma como as plantas mudam de forma ao longo do tempo em resposta a estímulos ambientais. O vídeo abaixo mostra esta estrutura em forma de orquídea que foi impressa usando uma tinta de hidrogel composto, como fibrilas de celulose alinhadas, que permitem o inchamento anisotrópico.
Um modelo matemático proprietário desenvolvido pela equipe precisamente prevê como as fibrilas incharão em água. Após a impressão, o orquídea 4D é imersa em água para ativar a sua transformação.
Este trabalho representa um avanço elegante em montagem de materiais programáveis, tornando -se possível graças a uma abordagem multidisciplinar”…, “Agora, nós fomos além da integração de forma e função para criar arquiteturas transformáveis”, disse Jennifer Lewis, autora sênior do novo estudo e membro do corpo docente do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada em Mares.
O estudo também tem co-autoria de L. Mahadevan, professor de matemática aplicada no Instituto Wyss e professor de biologia organística e física na Universidade de Harvard, bem como sua equipe.
Na natureza, a composição do tecido e microestruturas de flores e plantas têm morfologias dinâmicas que mudam de acordo com seus ambientes. Imitando a variedade de formas e mudanças que órgãos da planta, tais como gavinhas, folhas e flores sofrem em resposta a estímulos ambientais como umidade ou temperatura, os compósitos de hidrogel impresso em 4D desenvolvido por Lewis e sua equipe estão programados para conter o inchaço preciso, localizado. Mais importante, os compósitos de hidrogel contêm fibrilas de celulose que são derivadas de madeira e se assemelham as microestruturas que permitem alterações de forma nas plantas.
Ao alinhar as fibrilas de celulose durante a impressão, a tinta composta de hidrogel é codificada como anisotrópica, permitindo o inchaço e rigidez, que pode ser modelado para produzir alterações de formas complexas. A natureza anisotrópica das fibrilas de celulose dá origem a propriedades direcionais variadas que podem ser previstas e controladas.
Quando é imersa em água, a tinta de fibrila hidrogel-celulose sofre diferenciação por inchaço e direcionamento ortogonal em relação à passagem de impressão. Combinado com um modelo matemático proprietário desenvolvido pela equipe que determina como um objeto 4D deve ser impresso para alcançar formas transformáveis prescritas, o novo método abre novas aplicações potenciais para a tecnologia de impressão 4D, incluindo têxteis inteligentes, produtos eletrônicos leves, dispositivos biomédicos e engenharia de tecidos.
Usando uma tinta composta impressa em uma única etapa, podemos conseguir mudanças de formas geométricas de hidrogel contendo mais complexidade do que qualquer outra técnica, e nós podemos fazê-lo simplesmente, alterando o caminho de impressão”… “E mais, nós podemos trocar materiais diferentes para sintonizar as propriedades tais como condutividade ou biocompatibilidade.” disse A. Sydney Gladman, um assistente de pesquisa de pós-graduação aconselhado por Lewis e especializada na impressão de polímeros e compósitos no Instituto Wyss.
A tinta composta que a equipe usa flui como líquido através da cabeça de impressão, mas rapidamente solidifica uma vez que impressa. Uma variedade de materiais de hidrogel podem ser utilizados alternadamente, o que resulta em comportamento de estímulos/respostas diferente, enquanto que as fibrilas de celulose pode ser substituídas por outros agentes de enchimento anisotrópicos, incluindo enchimentos condutores.
O nosso modelo matemático prescreve as vias de impressão necessárias para atingir a resposta em transformar a forma desejada”… “Nós podemos controlar a curvatura tanto discretamente e de forma contínua, usando o nosso método totalmente sintonizável e programável” disse Elisabetta Matsumoto, pós-doutorada no Instituto Wyss e SEAS, assistente de pesquisa de Mahadevan e especializada em matéria condensada e física material.
A modelagem matemática também resolve o “problema inverso,” o desafio de prever o que o percurso de impressão deve ser para codificar comportamentos de inchaço em direção a uma forma desejada.
É maravilhoso ser capaz de projetar e realizar, em uma estrutura tecnicamente, já que são algumas das soluções da natureza”,… “Ao resolver o problema inverso, nós agora somos capazes de fazer engenharia reversa do problema e determinar a forma de variar heterogeneidade local, ou seja, o espaçamento entre os filamentos de tinta impressos e a anisotropia, ou seja, a direção desses filamentos, para controlar a resposta espaço-temporal destas folhas mudança de forma.” disse Mahadevan, que estudou fenômenos botânicos tais como a forma como as gavinhas se enrolam feito bobinas, como flores florescem, e como o pinho abre e fecha em forma de cone.
O que é notável sobre este avanço em impressão 4D é que ela permite a concepção de quase qualquer forma arbitrária e transformável a partir de uma ampla gama de materiais disponíveis com diferentes propriedades e aplicações potenciais que, verdadeiramente estabelece uma nova plataforma para a impressão de auto-montagem de estruturas dinâmicas em microescala que poderiam ser aplicadas a uma ampla gama de aplicações industriais e médicas”, disse Donald Ingber, diretor do Instituro Wyss, professor na Judah Folkman, Escola de Biologia Vascular da Harvard Medical School e do programa de biologia vascular no Hospital Infantil de Boston e professor de bioengenharia da Harvard SEAS.
O estudo obteve financiamento do Instituto de Pesquisa do Exército dos EUA e apoio da Fundação Nacional de Ciência e Centro de Engenharia, também dos EUA.