西班牙研發4D打印技術 有望打印某些人體組織

【2023年03月15日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)隨著3D打印技術的成熟,讓世上許多不可能的事變得可能。如今西班牙的一所大學在3D打印基礎上,開發一種應用於生物醫學的智能4D打印技術,給打印人造器官和其它人造生物醫學產品增添許多可能性。

去年,西班牙的馬德里卡洛斯三世大學(Charles III University of Madrid)開發出一款應用於生物醫學的4D打印機(DIW)的硬件和軟件。目前該項的最新成果已經發表在今年2月的《先進材料技術》(Advanced Materials Technologies)科學期刊中。

該研究團隊在開發的4D打印設備裡,加入物理部分(硬件)和控制設備的電腦程序(軟件)來實施精準打印和控制打印成品。

新研發的4D打印機除了基本的3D打印功能外,還能額外對材料進行編程響應,使打印的材料可以在不同磁場作用下發生形狀變化,或者改變其電性能。這為設計軟機器人(電子零件少且柔軟的機器人)或智能傳感器和將信號傳輸到不同網絡系統的基板,以及其他應用設計打開了大門。

近期關於多功能材料的研究在不同的應用領域開闢了新的途徑,特別是在軟機器人、生物工程和傳感或執行器領域增添許多可行性。

這款新研發的4D打印機使用直接墨水書寫(DIW)方式打印,而打印墨水則含有直徑為5µm的磁性顆粒和聚二甲基矽氧烷(PDMS)。PDMS是作為軟電子產品、軟機器人或人造活性組織器官的理想候選材料。

因此,科學家們在開發4D打印機的過程,只需控制墨水中磁性顆粒大小和流出的速度,並讓打印機噴嘴獲得足夠的墨水。同時確保打印的材料在硬化後能保持特定的形狀和硬度,方能做出理想的3D產品。

該項目的研究負責人、連續介質力學和結構理論系教師丹尼爾·加西亞·岡薩雷斯(Daniel García González)對馬德里卡洛斯三世大學新聞社表示,「這項技術不僅讓我們能夠控制打印三維結構形狀,還能讓我們用外部磁場去改變它們的屬性或幾何形狀,或者在它們變形時,擁有改變其電學性質的能力。」

4D打印技術研究方向是將用具有機械性能的材料,進行多功能結構開發,最終做出擁有模仿大腦或皮膚等生物組織細胞。此外,這些組織結構可以通過外部刺激(例如,磁場或電流)驅動時改變其形狀或特性,原因是打印材料中有磁性顆粒。

實際上就是該材料中分布了許多小磁鐵,能透過引導進行改變型態。使用該材料做出的產品,在使用過程中出現斷裂時,只需將這些斷裂的部分聚集一起,它們就能再次融合恢復到原本的結構。

這種自修復材料的研究人員,曾在最近一期期刊《複合材料第B部分:工程》上發表了另一篇文章,介紹了一種新的能夠實現自主修復,且無需外部干預的概念材料。

目前,研究人員已經能夠打印三種功能性材料:暴露於外部磁場時會改變其形狀和特性的材料、有自主修復能力的材料、以及會根據電氣特性(電導率)而改變形狀的材料。

研究團隊利用第一種材料,開發了可以將壓力與信號傳遞到擁有細胞系統的智能板上,從而影響細胞增殖或遷移等生物過程。此外,這些材料還有高度的塑型性,可藉由磁場控制軟機器人。這種材料擁有自我修復、導電特性和隨變形而變化的特性,為傳感器開闢廣闊的可能性。

岡薩雷斯表示,「我們可以考慮將身體與傳感器連接,通過電導率的變化收集關於我們的運動信息。」他還解釋,材料的自我修復能力使傳感器具有發送信號的特性,例如人體的關節受傷需要修補,可以在關節上添加這種材料。

接著他說,「當材料出現裂痕時,則會對患者發出警告信號,這時只需要患者放鬆關節,該材料就會實現自我修復和癒合。透過這種方式,可以對患者受傷處,進行術後的健康風險評估和觀察身體復原狀況。」◇

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