"Je pense que tu es en sourdine." C'était la phrase la plus utilisée en 2020, selon Ressources humaines en ligne. Emblème sur les T-shirts et embossé sur les tasses à café, nous avons utilisé le mème pour nous moquer de nous-mêmes tout en apprenant des outils de visioconférence comme Zoom et les équipes de Microsoft.

Mais pour les plus de 7 millions d'Américains qui souffrent de troubles vocaux, ne pas être entendu est une affaire sérieuse. De nombreuses personnes qui ont des compétences orales normales ont de grandes difficultés à communiquer lorsque leur boîte vocale, le larynx, échoue. Cela peut se produire si les cordes vocales, les deux bandes de tissu musculaire lisse dans le larynx, subir des dommages suite à un accident, opération chirurgicale, infection virale ou cancer.

Il n'y a pas de remplacement pour les cordes vocales lorsque les dommages sont graves ou permanents. Maintenant, une équipe de scientifiques des matériaux de l'école d'ingénierie de l'Université de Virginie a développé un matériau souple avec la promesse de nouveaux traitements à l'avenir. Leur nouvelle matière douce, appelé élastomère, est très extensible et 10, 000 fois plus souple qu'un caoutchouc conventionnel, correspondant aux propriétés mécaniques des cordes vocales. L'élastomère peut être imprimé en 3D pour une utilisation dans les soins de santé.

Liheng Cai, professeur adjoint de science et ingénierie des matériaux et de génie chimique, supervise cette recherche. Cai détient également un rendez-vous de courtoisie en génie biomédical et dirige le Soft Biomatter Lab à l'UVA. Le laboratoire de Cai travaille pour comprendre et contrôler les interactions entre les matériaux mous actifs, tels que les polymères réactifs ou les gels biologiques, et les systèmes vivants, comme les bactéries ou les cellules et les tissus du corps humain.

Le chercheur post-doctoral de Cai Shifeng Nian et Ph.D. l'étudiant Jinchang Zhu co-premier auteur de l'article de l'équipe, "Imprimable en trois dimensions, Extrêmement doux, Extensible, et élastomères réversibles issus d'un assemblage dirigé par architecture moléculaire, " publié et présenté comme un article de couverture dans Chimie des Matériaux . Les collaborateurs incluent Baoxing Xu, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l'UVA, qui a mené des simulations pour comprendre la déformation des imprimés en 3D, structures extrêmement molles.

L'équipe a développé une nouvelle stratégie pour fabriquer de tels élastomères souples imprimables en 3D. Ils ont utilisé un nouveau type de polymère avec une architecture particulière rappelant le goupillon pour le nettoyage de la petite verrerie, mais à l'échelle moléculaire. Le polymère en forme de goupillon, lorsqu'ils sont liés pour former un réseau, permet des matériaux extrêmement doux imitant les tissus biologiques.

Cai a commencé à prouver le potentiel des polymères pour goupillons en tant que boursier postdoctoral à la John H. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de l'Université Harvard. L'ingénierie collaborative de Cai sur le caoutchouc souple mais «sec» a été publiée dans Matériaux avancés .

Maintenant, Cai et son équipe ont développé une nouvelle façon d'utiliser des associations fortes, mais réversibles en fonction de la température, pour réticuler des polymères ressemblant à des goupillons pour former un caoutchouc. L'idée est d'utiliser la synthèse chimique pour ajouter un polymère vitreux à chaque extrémité d'un polymère en forme de goupillon. De tels polymères vitreux s'auto-organisent spontanément pour former des sphères nanométriques identiques à celles des bouteilles d'eau en plastique. Ils sont rigides à température ambiante mais fondent à haute température; cela peut être exploité pour imprimer en 3D des structures souples.

L'élasticité de leur matériau peut être affinée d'environ 100 à 10, 000 pascals sur l'échelle de pression que le matériau peut supporter. La limite inférieure, environ 100 pascals, est un million de fois plus doux que les plastiques et 10, 000 fois plus doux que les élastomères classiques imprimables en 3D. De plus, ils peuvent être étirés jusqu'à 600 %.

« Leur extrême douceur, l'élasticité et la thermostabilité sont de bon augure pour les applications futures, " dit Cai.

Cai attribue à Nian le mérite d'avoir développé la chimie pour synthétiser des polymères pour goupillons avec une architecture contrôlée avec précision pour prescrire la douceur et l'extensibilité des élastomères. L'élastomère peut être utilisé comme encre dans une imprimante 3D pour créer une forme géométrique avec les qualités du caoutchouc.

L'imprimante 3D elle-même a à peu près la taille d'un réfrigérateur de dortoir. Zhu a conçu sur mesure la buse du système d'extrusion qui tire les matériaux dans une quantité prescrite dans un espace 3D, guidé par un programme informatique spécifique à l'objet désiré.

Nian a obtenu son doctorat. en chimie de l'UVA en 2018, et a rejoint le laboratoire Soft Biomatter de Cai en tant que post-doc. "Le groupe du Dr Cai me donne l'opportunité d'étendre mes recherches de la chimie classique au développement de matériaux ; nous inventons beaucoup de matériaux sympas avec des mécaniques spéciales, propriétés électriques et optiques, " dit Nian.

Ce qui est intéressant avec le matériau souple de l'équipe, c'est sa capacité à s'auto-organiser et à s'assembler au fur et à mesure que chaque goutte est déposée. Lorsque le matériau à base de silicone est chargé pour la première fois dans la cartouche d'encre, il a la consistance du miel, moitié solide et moitié liquide. Au fur et à mesure de l'impression, le solvant lie les couches puis s'évapore pour construire l'objet de manière transparente. De plus, vous pouvez le refaire si vous faites des erreurs, car le matériau est 100 % recyclable et recyclable.

« Les élastomères conventionnels imprimables en 3D sont intrinsèquement rigides; le processus d'impression nécessite souvent un support mécanique externe ou un post-traitement, " dit Cai. " Tiens, nous démontrons l'applicabilité de notre élastomère en tant qu'encres pour l'impression directe de structures 3D."

Pour étudier la façon dont les molécules du matériau s'interconnectent, L'équipe de Cai a collaboré avec Guillaume Freychet et Mikhail Zhernenkov, scientifiques des lignes de lumière au laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis. Ils ont mené des expériences à l'aide de l'outil à rayons X sophistiqué de la National Synchrotron Light Source II, en particulier la ligne de lumière des interfaces de matière molle, pour révéler la composition interne des documents imprimés sans endommager les échantillons.

"La ligne de lumière SMI est parfaitement adaptée à ce type de recherche en raison de sa forte intensité de faisceau de rayons X, excellente accordabilité de transfert d'énergie et de quantité de mouvement, et un fond très faible. En collaboration avec l'équipe de Cai, nous avons pu voir comment le polymère en forme de goupillon s'assemble en un réseau réticulé, " a déclaré Zhernenkov.

Cai estime que l'équipe est à deux ou trois ans de voir ses élastomères en usage pratique, un rythme accéléré permis par la méthode d'impression 3D de l'équipe. Parfois appelée fabrication additive, L'impression 3D est une force de recherche du département de science et d'ingénierie des matériaux de l'UVA; les chercheurs dans ce domaine cherchent à comprendre la physique sous-jacente aux processus de fabrication additive lorsqu'ils créent de nouveaux systèmes de matériaux.

L'amélioration de la santé n'est qu'une des motivations de leur recherche.

"Nous pensons que nos découvertes stimuleront le développement de nouveaux matériaux souples comme les encres pour l'impression 3D, qui peut être la base d'une large gamme de dispositifs et de structures adaptatifs tels que des capteurs, électronique extensible et robotique douce, " dit Cai.