La réparation et la réutilisation des plastiques et l'administration plus efficace de médicaments anticancéreux ne sont que deux des nombreuses applications potentielles qu'une nouvelle technologie d'impression 3-D/4-D pourrait avoir, grâce au travail pionnier d'une collaboration de recherche entre UNSW Sydney et l'Université d'Auckland.

Les chercheurs ont révélé la fusion réussie de l'impression 3-D/4-D et de la polymérisation photo-contrôlée/vivante - un processus chimique pour créer des polymères - dans un article publié dans Angewandte Chemie Édition Internationale vendredi.

L'impression 4-D est un sous-ensemble de l'impression 3-D où l'objet imprimé peut transformer sa forme en réponse à certaines conditions.

La nouvelle méthode de polymérisation contrôlée, où les chercheurs ont utilisé la lumière visible pour créer un plastique ou un polymère « vivant » respectueux de l'environnement, ouvre un nouveau monde de possibilités pour la fabrication de matériaux solides avancés.

Les polymères peuvent être synthétiques, comme le plastique, ainsi que biologique, par exemple, ADN.

La recherche s'est appuyée sur la découverte en 2014 de l'UNSW Sydney Boyer Lab de la polymérisation PET-RAFT (polymérisation par transfert de chaîne de fragmentation d'addition réversible par transfert d'électrons/d'énergie), une nouvelle façon de fabriquer des polymères contrôlés à l'aide de la lumière visible, utilisant la technique de polymérisation RAFT (Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer) découverte par le CSIRO (Graeme Moad, San Thang et Enzo Rizzard).

De tels polymères peuvent être réactivés pour une croissance ultérieure, contrairement aux polymères traditionnels qui sont "morts" après avoir été fabriqués.

Depuis cette évolution, la technologie s'est étendue et s'est avérée utile pour fabriquer des molécules bien contrôlées pour de nombreuses applications, y compris l'administration de médicaments et d'autres biomatériaux.

Première découverte mondiale

L'auteur principal Cyrille Boyer a déclaré que la dernière percée de son équipe était une première mondiale dans le développement d'un nouveau système d'impression 3D utilisant la polymérisation PET-RAFT, pour permettre aux matériaux imprimés en 3D d'être facilement modifiés après l'impression.

"La polymérisation contrôlée n'a jamais été utilisée en impression 3D et 4D auparavant, parce que les vitesses des processus de polymérisation contrôlée typiques sont trop lentes pour l'impression 3-D/4-D, où la réaction doit être rapide pour des vitesses d'impression pratiques, ", a déclaré le professeur Boyer.

"Après deux ans de recherche et des centaines d'expériences, nous avons développé un procédé rapide compatible avec l'impression 3D.

"Contrairement à l'impression 3D conventionnelle, notre nouvelle méthode d'utilisation de la lumière visible nous permet de contrôler l'architecture des polymères et d'ajuster les propriétés mécaniques des matériaux préparés par notre procédé.

« Ce nouveau procédé nous donne également accès à l'impression 4D et permet de transformer ou de fonctionnaliser la matière, ce qui n'était pas possible auparavant."

Nathaniel Corrigan de l'UNSW, co-premier auteur avec UNSW Ph.D. le candidat Zhiheng Zhang, a déclaré qu'un avantage supplémentaire de leur nouveau système était la capacité de contrôler finement toutes les molécules du matériau imprimé en 3D.

"L'impression 4D est un sous-ensemble de l'impression 3D. Mais avec l'impression 4D, l'objet imprimé en 3D peut changer de forme et de propriétés chimiques ou physiques et s'adapter à son environnement, " a déclaré le Dr Corrigan.

« Dans notre travail, le matériau imprimé en 3D pouvait changer de forme de manière réversible lorsqu'il était exposé à l'eau puis séché.

"Par exemple, l'objet 3-D commence comme un plan plat et lorsqu'il est exposé à certaines conditions, il va commencer à se plier, c'est un matériau 4-D. Donc, la quatrième dimension est le temps."

De la réduction des déchets aux applications biomédicales

Les chercheurs espèrent que leur nouveau procédé d'impression 3-D/4-D utilisant la polymérisation PET-RAFT conduira à la production de matériaux fonctionnels pour résoudre de nombreux problèmes auxquels la société est confrontée aujourd'hui.

Le professeur Boyer a déclaré que la nouvelle méthode avait une multitude d'applications pour les objets du quotidien, en particulier si un objet déformé ou cassé devait être réparé ou modifié.

"L'application principale est bien sûr le recyclage, car au lieu d'utiliser un objet en plastique une fois, il peut être réparé et réutilisé, " il a dit.

"Pour le recyclage ordinaire, vous enlevez les matériaux et devez les reconstruire, mais pour le nouveau matériau « vivant », il pourra se réparer lui-même.

"Par exemple, si vous voulez mettre le logo UNSW sur une tasse, vous pouvez modifier la surface de l'objet et faire croître les polymères pour afficher UNSW car l'objet n'est pas mort ; c'est un objet vivant et peut continuer à grandir et à s'étendre."

Le Dr Corrigan a déclaré qu'un autre avantage majeur du nouveau processus était sa compatibilité avec la biomédecine, parce que les conditions extrêmes n'étaient pas nécessaires.

« Les approches d'impression 3D actuelles sont généralement limitées par les conditions difficiles requises, tels que la lumière UV forte et les produits chimiques toxiques, ce qui limite leur utilisation dans la fabrication de biomatériaux, " il a dit.

"Mais avec l'application de la polymérisation PET-RAFT à l'impression 3D, nous pouvons produire de longues molécules de polymère en utilisant la lumière visible plutôt que la chaleur, qui est la méthode de polymérisation typique.

"L'utilisation de chaleur supérieure à 40 degrés tue les cellules, mais pour la polymérisation à la lumière visible, nous pouvons utiliser la température ambiante, donc la viabilité des cellules est beaucoup plus élevée."

Le professeur Boyer a déclaré que les objets fabriqués grâce à ce nouveau processus pourraient plus facilement être utilisés dans des bio-applications avancées, comme le génie tissulaire, par exemple, où une structure tissulaire est utilisée pour former une nouvelle, tissu viable à des fins médicales.

"Notre nouvelle méthode cible les petites échelles, des applications de niche dans des domaines comme la microélectronique et la biomédecine - un domaine immense pour nous - qui nécessitent des polymères très avancés, " il a dit.

L'impression 3D et 4D pour tous

Le professeur Boyer a déclaré que leur nouvelle technique permettrait aux opérateurs commerciaux et non experts de produire des matériaux aux propriétés et aux applications apparemment infinies.

"Nous voulons explorer notre système pour trouver et résoudre toutes les limitations afin de permettre une meilleure adoption et mise en œuvre de cette technologie, " il a dit.

« Il y a tellement de choses que nous pouvons faire en combinant l'impression 3D et 4D avec une polymérisation contrôlée pour fabriquer des matériaux avancés et fonctionnels pour de nombreuses applications au profit de la société. »