哈佛大學開發形狀記憶3D列印材料

2020-12-11 中關村在線

近年來，形狀記憶材料的應用數量呈指數增長。土木工程，航空航天，可穿戴設備和醫療設備領域的公司都顯示出對可定製聚合物的需求增加，並且比現有聚合物具有更大的靈活性。 儘管最近在該領域進行了研究，但是開發一種既可定製又可生物相容的材料仍然是一個挑戰。近期，哈佛大學工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員已經開發出一種3D列印材料，該材料可以預先編程為具有可逆的形狀記憶功能。

該研究小組使用了從廢棄服裝的安哥拉羊毛中提取的原纖維角蛋白來製造新型3D列印聚合物。為了提取和利用羊毛中的角蛋白含量，研究小組使用了溴化鋰和二硫蘇糖醇（DTT）溶液的組合來誘導固液轉變。然後將所得的結晶角蛋白進一步擠出，將其從蛋白質濃液變成可印刷的水凝膠。

為了評估化學反應的影響，研究小組部署了低溫透射電子顯微鏡，以驗證單個角蛋白鏈已成功形成捲曲螺旋。結果表明，單鏈已經匯聚成較大的原纖維，約3nm，幾乎沒有蛋白質降解的跡象。進一步的顯微照片測試還顯示，該材料的抗張強度為+ 1.03MPa，與尼龍和絲纖維的抗張強度相同。

至關重要的是，還發現原纖維在受到剪切應力時會自組織成向列晶相 ，而在預編程的刺激下會恢復為原始形狀。為了評估其新材料的形狀記憶潛力，哈佛團隊3D將角蛋白片印刷成各種形狀和結構。

然後使用過氧化氫和磷酸二氫鈉的混合物使形狀永久不變，然後將原型浸入水中。一旦進入水下，這些材料就變得具有延展性，可以重塑成所需的任何布局，但是當它們被去除時，乾燥的纖維又恢復了它們的預編程形狀。

重塑記憶形狀的3D列印材料

隨著纖維的乾燥以及它們的氫鍵開始重新形成，片材顯示出應力的突然增加，這與材料恢復到與以前相同的拉伸強度水平相對應。再水化後，經過數個應力應變循環，纖維的恢復效率達到了接近100％的值，並且可觀察到的收縮率最小。

總體而言，研究人員得出的結論是，他們創造了一種獨特的基於層次結構的基於纖維的3D列印材料，該材料具有形狀記憶特性和較高的機械穩定性。哈佛大學的研究小組認為，他們的可再生資源將來可能會被用於生產可生物降解的智能紡織品，例如可吸收人體機能的服裝或吸收應變能的醫療產品。

(7527942)

相關焦點

  • 有「記憶」的材料!哈佛科學家的新發明
    ——原理和應用——哈佛大學網站上的文章以「頭髮」來隱喻，也就是說，這種新材料的原理來自頭髮：在雨中淋溼了，最終會恢復到原來的形狀，不管是捲曲的還是波浪的。顯然，這是因為頭髮有「形狀記憶」。哈佛大學的研究人員創造了同樣原理的材料。他們希望這種新材料可以用在衣服的製作上，以減少時裝業的浪費。這篇哈佛大學的文章舉了一個例子：一件均碼的T恤衫，它可以自動收縮或膨脹以適應一個人的特定尺寸。秘密是角蛋白。一種存在於頭髮和指甲中的蛋白質。
  • 美國羅格斯大學開發可根據溫度改變形狀和硬度的4D列印材料
    4月16日，美國《設計新聞》網站報導稱：美國羅格斯大學的研究人員開發的4D列印材料可以在許多應用中根據溫度改變形狀和硬度。該研究團隊由機械和航空航天工程系助理教授豪恩·李（Howon Lee）領導，利用4D列印技術創造了這種柔韌、輕質的材料。研究人員表示，這種材料可用於飛機或無人機機翼、軟機器人和植入式生物醫學設備的設計。傳統超材料一旦製造出來機械性能和幾何形狀就固定了，4D列印的超材料增加了可調性、可重構性和可部署性。
  • 哈佛碩博胡宇航:3D列印形狀記憶雙網絡水凝膠變形章魚/手抓器
    儘管之前已經實現了DN水凝膠的3D列印，但到目前為止尚未實現3D可列印的形狀記憶DN水凝膠。最近，喬治亞理工學院胡宇航青年教師（碩-博士畢業於哈佛大學）團隊提出了一種通過熔融沉積法印刷生物相容性形狀記憶DN水凝膠的一鍋法。結合到水凝膠油墨中的兩個網絡是聚丙烯醯胺（PAAm）和明膠。
  • 帶「記憶神經」的材料:形狀記憶合金
    形狀記憶合金(Shape Memory Alloy , 簡稱為SMA)是一種特殊的金屬材料, 經適當的熱處理後即具有回覆形狀的能力 , 這種能力被稱為形狀記憶效應(Shape memory Effect , 簡稱為SME)。研究表明 ,很多合金材料都具有SME, 但只有在形狀變化過程中產生較大回復應變和較大形狀回復力的, 才具有利用價值。
  • 科學家藉助形狀記憶合金開發抗地震材料
    針對這種狀況，美國喬治亞理工學院的研究人員正在對形狀記憶合金材料進行分析，了解它們用於抗地震結構材料的潛力。 為分析形狀記憶合金，研究人員開發出將熱力學和力學方程相結合的模型，以了解形狀記憶合金在強烈運動條件下會有何變化。利用模型，他們分析了形狀記憶合金在不同建築組件（電纜、鋼筋、板材和螺旋彈簧）中對不同外界條件的反應。
  • Biomaterials|「全能」的3D列印骨修復材料被成功開發
    目前已經有很多研究者利用生物3D列印技術進行骨組織修復，高分子聚合物材料、水凝膠類材料在骨修復應用各有利弊，單一材料往往無法平衡機械強度、可列印性、生物相容性/生物活性以及骨傳導性。近日，香港理工大學的趙昕教授、新加坡國立大學的Jerry Fuh教授和南京醫科大學附屬蘇州醫院郝躍峰副院長最近在生物材料頂刊Biomaterials上發表了題為Photocrosslinkable nanocomposite ink for printing strong, biodegradable
  • 弗萊堡大學開發木質3D列印材料
    近日，由弗萊堡大學森林生物材料系的研究團隊將木質素與纖維素球結合在一起，創造了一種新型的木質生物合成聚合物，以用於製造可儲蓄的新型3D列印材料，用於輕型建築或工業應用。弗萊堡大學研發的新型3D列印材料為了創建他們的新型木質素基聚合物，研究小組將HPC和OSL粉末分別溶解在乙酸中，然後在黑暗中保存兩天。將溶液以恆定的HPC / OSL比為4：1（w / w）的總和混合，並密封5天。加入交聯劑和甘油檸檬酸後，將混合液混合併離心，得到研究人員的3D列印聚合物。 在去離子水中的溶解度測試表明，後固化對材料的化學行為有重要影響。
  • 神奇的形狀記憶材料
    早在20世紀中葉，人們已經發現並開始使用傳統的形狀記憶塑料，如用於包裹電纜的熱縮管、用於包裝礦泉水瓶的熱縮膜等。這類材料通常能在加熱後施加外力的情況下改變形狀，並在冷卻後能記憶這個臨時形狀，這個臨時形狀能夠通過重新加熱而恢復到原始形狀。
  • 19年新研製的3D列印材料有哪些?史上最全3D列印材料總結
    19年研究機構發表的最新3D材料成果匯總 一、借鑑冶金學創造的3D列印新材料 2019年1月《自然》雜誌上，倫敦帝國理工學院和英國謝菲爾德大學的科學家們報告了他們如何通過3D列印技術通過借鑑冶金學的概念（M.-S. Pham）來創造一種不尋常的材料。
  • 【材料課堂】神奇的材料——形狀記憶合金!
    如用在軍用飛機的液壓系統中的低溫配合連接件，歐洲和美國正在研製用於直升飛機的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由於直升飛機高震動和高噪聲使用受到限制，其噪聲和震動的來源主要是葉片渦流幹擾，以及葉片型線的微小偏差。這就需要一種平衡葉片螺距的裝置，使各葉片能精確地在同一平面旋轉。目前已開發出一種葉片的軌跡控制器，它是用一個小的雙管形狀記憶合金驅動器控制葉片邊緣軌跡上的小翼片的位置，使其震動降到最低。
  • 巧婦不再難為無米之炊 3D列印材料大觀(全文)_3D印表機_辦公列印3D...
    這裡簡要介紹當前3D列印材料的發展現狀以及存在的問題。    由於3D列印製造技術完全改變了傳統製造工業的方式和原理，是對傳統製造模式的一種顛覆，因此，3D列印材料成為限制3D列印發展的主要瓶頸，同時也是3D列印突破創新的關鍵點和難點所在，只有進行更多新材料的開發才能拓展3D列印技術的應用領域。
  • 3D列印材料及其應用概述
    值得一提的是，PCL具有優異的生物相容性和降解性，可以作為生物醫療中組織工程支架的材料，通過摻雜納米羥基磷灰石等材料還能夠改善力學性能及生物相容性。此外PCL 材料還具有一定的形狀記憶效應，在4D列印方面有一定的潛力。TPU 是一種具有良好彈性的熱塑性聚合物，其硬度範圍寬且可調，有一定的耐磨性、耐油性，適用於鞋材、個人消費品、工業零件等的製造。
  • 3d列印的優點和缺點
    3d列印的優點 　　1、製造複雜物品不增加成本 　　就傳統製造而言，物體形狀越複雜，製造成本越高。對3D印表機而言，製造形狀複雜的物品成本製造複雜物品不增加成本不增加，製造一個華麗的形狀複雜的物品並不比列印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。製造複雜物品而不增加成本將打破傳統的定價模式，並改變我們計算製造成本的方式。 　　2、產品多樣化不增加成本 　　一臺3D印表機可以列印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。
  • 3D列印材料可磁化形變
    該技術可以設定材料執行各種有用的動作，包括滾動、跳躍和抓住物體。　　軟材料可以依據熱、光或磁場之類的刺激而改變形狀，具有廣泛的應用潛力：從柔性電子、軟體機器人到各種生物醫學挑戰，如藥物遞送和組織工程。就醫學應用而言，相關材料需要在封閉空間內運行且需要遠程控制，而磁場提供了一種卓有成效的激活刺激。但目前的製造方法只允許簡單的形狀變化。
  • 高溫形狀記憶聚醯亞胺材料
    ；形狀恢復率形狀記憶聚合物（SMP）是一種具有典型變形能力的智能材料，在外界刺激下其特殊的形狀自適應特性引起了人們廣泛興趣，特別是針對惡劣環境的應用需求，人們迫切需要機械性能、環境穩定性更為優異的SMP材料。
  • 上海交大開發基於形狀記憶合金智能軟複合材料的微型驅動器
    某些合金的形狀記憶效應因其工作密度高、驅動機制簡單而成為一種有前途的小尺度驅動機制。然而，對於亞毫米器件，形狀記憶合金作動器由於製作工藝的限制，難以實現複雜的大位移。上海交通大學楊廣中教授提出了一種基於雙光子聚合的小型化柔性複合材料致動器的製作方案。變形模式可以通過改變支架層合的方向來改變。
  • 具有磁性形狀記憶的新材料
    Paul Scherrer研究所PSI和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員開發出一種新材料，當它被放入磁場時保持一定的形狀。它是由兩種組分組成的複合材料。與以前的形狀記憶材料不同，它由聚合物和所謂的磁流變液的嵌入液滴組成。這種新型複合材料的應用領域包括醫藥，航空航天，電子和機器人。
  • .》:4D列印形狀記憶聚合物心臟...
    針對以上問題，哈爾濱工業大學冷勁松教授課題組將可編程的形狀記憶聚合物與3D列印技術相結合，設計並製備了可個性化定製、可生物降解及遠程驅動控制的形狀記憶聚合物封堵器，有望成為金屬封堵器的潛在替代裝置。該團隊以房間隔缺損（ASD）封堵器為例，設計了可編程的形狀記憶ASD封堵器。
  • 3D列印超級磁體 替代傳統電磁材料
    奧地利TU Graz的3D列印技術突破，使得製造小型電子元件的永磁體變得更加容易。TU Graz團隊與維也納大學，弗裡德裡希-亞歷山大大學埃爾蘭根-紐倫堡分校（FAU）和Joanneum Research合作，已經成功地使用基於雷射的3D列印工藝製造了超級磁體——永磁體。
  • 3d列印房子的弊端_3D列印食品的利弊
    3d列印房子的弊端 　　我國的3d列印房屋比國外起步晚，技術水平也不高，因此存在很多問題。那麼3d列印房屋的缺點有哪些呢？什麼是3d列印房屋呢？下邊就跟隨小編我們一起來看看！他們根據列印適性，生產率，材料特性，效果參數和印表機制評估每種技術。 　　研究人員研究的第一種方法是基於擠出技術的3D列印，與熔融沉積成型（FDM）類似，不同之處在於起始材料可以是固體或糊狀。用這種方法列印的食品的例子是麵糊，肉醬和奶酪。研究人員指出了使用這種方法進行的其他幾項研究，包括專注於3D列印糖餅乾，檸檬汁凝膠，魚糜凝膠和巧克力的研究。