Un dispositif de concept LCE imprimé DLP d'une cage vertébrale avec une architecture en treillis poreux. Crédit : N/A
Les tissus biologiques ont évolué au fil des millénaires pour être parfaitement optimisés pour leurs fonctions spécifiques. Prenons l'exemple du cartilage. C'est un conforme, tissu élastique suffisamment doux pour amortir les articulations, mais assez solide pour résister à la compression et supporter la portance importante de notre corps :clé pour courir, sauter, et notre usure quotidienne.
Créer des substituts synthétiques qui correspondent vraiment aux propriétés et aux comportements des tissus biologiques n'a pas été facile. Mais les scientifiques de l'Université du Colorado à Denver, dirigé par le professeur d'ingénieur mécanicien Chris Yakacki, Doctorat., sont les premiers à imprimer en 3D un complexe, structure en treillis poreux utilisant des élastomères à cristaux liquides (LCE) créant des dispositifs qui peuvent enfin imiter le cartilage et d'autres tissus biologiques.
L'équipe du CU Denver, dont le professeur Kai Yu, Doctorat., stagiaire postdoctoral Devesh Mistry, Doctorat., et doctorant Nicholas Traugutt, ainsi que des scientifiques de la Southern University of Science and Technology en Chine, a publié ses conclusions cette semaine dans le journal Matériaux avancés .
Révolution dans la fabrication des LCE
Yakacki, qui travaille au laboratoire Smart Materials and Biomechanics (SMAB) de CU Denver, a commencé à travailler avec les LCE en 2012. Le soft, les matériaux multifonctionnels sont connus pour leur élasticité et leur extraordinaire capacité à dissiper une énergie élevée. En 2018, Yakacki a reçu un prix NSF CAREER pour révolutionner la fabrication des LCE et plusieurs séries de financement pour les développer en tant qu'amortisseur pour les casques de football. Même à ce moment là, il savait que ses applications pouvaient aller plus loin.
"Tout le monde a entendu parler des cristaux liquides parce que vous les regardez sur l'écran de votre téléphone, " dit Yakacki. " Et vous avez probablement entendu parler des polymères à cristaux liquides parce que c'est exactement ce qu'est le Kevlar. Notre défi était de les intégrer dans des polymères mous, comme les élastomères, de les utiliser comme amortisseurs. C'est à ce moment-là que vous descendez les couches de complexité. »
Les LCE sont difficiles à manipuler. Jusqu'à maintenant, la plupart des chercheurs pouvaient créer de grands objets avec un minimum de détails ou des détails élevés dans des structures pratiquement microscopiques. Mais comme pour les écrans de téléphone, Les gros appareils avec des résolutions élevées sont là où se trouve l'avenir. Les produits chimiques et le processus d'impression de Yakacki et de son équipe ont réduit la difficulté à presque zéro.
Leur motivation :dissipation contrôlée à travers les échelles de longueur de la chimie des résines (mésoéchelle), à l'architecture en treillis à micro-échelle, et la macrostructure globale des structures imprimées. Crédit : N/A
Mettre en lumière une résine mielleuse
Pour leur étude, Yakacki et son équipe ont exploré un processus d'impression 3D appelé traitement numérique de la lumière (DLP). L'équipe a développé une résine LC de type miel qui, lorsqu'il est frappé par la lumière ultraviolette, durcit—formant de nouvelles liaisons dans une succession de fines couches de photopolymère. La résine durcie finale forme un doux, fort, et élastomère conforme. Lorsqu'il est imprimé dans des structures en treillis - des niveaux de motifs semblables à un nid d'abeille - c'est à ce moment-là qu'il a commencé à imiter le cartilage.
Le groupe a imprimé plusieurs structures, dont un minuscule, fleur de lotus détaillée et prototype de cage de fusion vertébrale, créant le plus grand appareil LCE avec le plus de détails. La combinaison de la résine et du processus d'impression a également conduit à une dépendance à la vitesse 12 fois supérieure et à une dissipation d'énergie de déformation jusqu'à 27 fois supérieure à celles imprimées à partir d'une résine élastomère photodurcissable disponible dans le commerce.
Des casques de football à la colonne vertébrale
Aller de l'avant, les structures ont plusieurs applications, comme la mousse de casque de football absorbant les chocs ou même de petits implants biomédicaux pour les orteils. Yakacki est le plus enthousiasmé par ses possibilités dans la colonne vertébrale.
Prototype de cage vertébrale LCE
"La colonne vertébrale est pleine de défis et c'est un problème difficile à résoudre, " a déclaré Yakacki. " Les gens ont essayé de fabriquer des disques de tissu rachidien synthétique et ils n'ont pas fait un bon travail. Avec l'impression 3D, et la haute résolution que nous en avons obtenue, vous pouvez correspondre exactement à l'anatomie d'une personne. Un jour, nous pourrons peut-être faire pousser des cellules pour réparer la colonne vertébrale, mais pour l'instant, nous pouvons faire un pas en avant avec la prochaine génération de matériaux. C'est là que nous aimerions aller."
