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BIOMIMÉTICA – CIENTISTAS DE HARVARD CRIARAM TECNOLOGIA DE IMPRESSÃO 4D


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.

via: Harvard Gazette – 4D-printed structure changes shape when placed in water


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