Les polymères à mémoire de forme ou matériaux à changement de forme sont des matériaux intelligents qui ont suscité une attention considérable dans la science des matériaux et le génie biomédical ces dernières années pour construire des structures et des dispositifs intelligents. Le traitement numérique de la lumière est une méthode basée sur la photopolymérisation en cuve avec une technologie beaucoup plus rapide pour imprimer une couche complète en une seule étape afin de créer des matériaux intelligents.
Fahad Alam et une équipe de scientifiques en génie électrique, informatique et nucléaire de l'Université des sciences et technologies King Abdullah, en Arabie Saoudite, ont développé une méthode simple et rapide pour imprimer en 3D des structures intelligentes à base de polymères à mémoire de forme avec une impression numérique par lumière. Imprimante 3D et résine personnalisée.
Ils ont combiné un cristal liquide (un matériau qui peut changer de forme avec la température) avec de la résine, pour introduire des propriétés de mémoire de forme pour imprimer directement en 3D des structures thermosensibles, tout en évitant la complexité de la préparation de la résine. L’équipe a imprimé les structures avec différentes géométries et mesuré la réponse en mémoire de forme. Les polymères à mémoire de forme peuvent être facilement préparés pour être utilisés comme outils intelligents, jouets et métamatériaux.
L'article est publié dans la revue NPG Asia Materials. .
Les polymères à mémoire de forme appartiennent à une classe de polymères intelligents à double forme qui peuvent subir une déformation mécanique et reprendre leur forme originale en réponse à des paramètres environnementaux. La récupération du polymère à mémoire de forme dépend de l'application de stimuli externes tels que la chaleur, la lumière, l'électricité, l'humidité et les changements de pH.
Ces matériaux sont des constructions aux formes changeantes qui ont suscité un intérêt considérable ces dernières années en raison de leur polyvalence et de leur viabilité industrielle. L’équipe de recherche a démontré l’impression 4D de polymères à mémoire de forme via le traitement numérique de la lumière ; une méthode d'impression 3D basée sur la photopolymérisation en cuve. Les résultats ont mis en évidence l'adéquation des structures complexes imprimées en 3D pour une variété d'applications.
Création de l'effet mémoire de forme
L’équipe de recherche a étudié l’effet de mémoire de forme des échantillons imprimés en 3D en étudiant le processus d’induction et de récupération de forme. La méthode a permis d’imprimer facilement et en haute résolution des conceptions 3D complexes. Ces constructions sont utiles dans diverses applications telles que les patchs intelligents flexibles, les outils mécaniques de taille variable et les jouets déformables. Dans ce travail, Alam et ses collègues ont développé un polymère à mémoire de forme basé sur un cristal liquide mélangé à une résine photodurcissable, pour développer un polymère semi-cristallin et ont décrit son mécanisme d'action, sur la base d'études antérieures.
L’équipe a observé la morphologie interne des coupes transversales imprimées en 3D avec ou sans cristaux liquides en utilisant la microscopie électronique à balayage. Ils ont ensuite observé les réponses des polymères à mémoire de forme par rapport à leur capacité à récupérer après avoir été soumis à une charge. Le présent travail a montré l’influence du traitement numérique de la lumière 3D pour créer des polymères à mémoire de forme avec des effets 4D. Les scientifiques ont quantifié la réponse de la mémoire de forme pour montrer le rapport de l'angle de récupération en fonction du temps.
Propriétés mécaniques réglables
Les chercheurs ont exploré les applications prometteuses des polymères à mémoire intelligente imprimés en 3D. Pour ce faire, Alam et ses collègues ont déterminé les propriétés mécaniques des matériaux en effectuant des tests de traction sur un spécimen d'os de chien, afin de montrer comment les propriétés mécaniques des matériaux imprimés peuvent être ajustées en régulant la forme des structures en treillis.
Ils ont confirmé l’accordabilité mécanique des matériaux intelligents en effectuant des simulations par éléments finis et ont comparé les résultats expérimentaux avec les essais de traction issus de l’analyse par éléments finis. Les performances mécaniques des réseaux 2D observées expérimentalement et prédites via simulation sont concordantes. Sur la base de la flexibilité et de l'extensibilité, Alam et son équipe ont testé les échantillons pour des tests de déformation et pour des applications de détection de mouvements d'articulations.
Pour faciliter le mouvement des articulations via l'intégration du polymère, les scientifiques ont appliqué un revêtement conducteur à base de nano-argent comme électrode, ce qui a nécessité une optimisation plus poussée des paramètres d'impression. Les scientifiques ont mesuré les changements de résistance électrique en étirant et en comprimant la structure pour faciliter le mouvement des patients.
Les résultats de la mesure de la résistance du patch d'électrode en treillis préparé ont montré son potentiel d'utilisation en tant que patch intelligent pour la détection des mouvements articulaires ; cela peut être appliqué à un genou humain, une articulation du coude, un membre artificiel ou des membres réels pour détecter le mouvement. De tels patchs d'électrodes peuvent être personnalisés en fonction de la taille du patient grâce à des processus de fabrication simples et rapides.
Perspectives
De cette manière, Fahad Alam et son équipe ont présenté une méthode pour imprimer en 3D des matériaux intelligents en utilisant d'abord des polymères à mémoire de forme pour une fabrication facile et rapide grâce au traitement numérique de la lumière. Les scientifiques ont personnalisé les objets imprimés en 3D pour créer des structures qui ont changé avec le temps, c'est ce qu'on appelle l'impression 4D. Ils y sont parvenus en combinant des cristaux liquides avec une résine et en les imprimant à l'aide d'une imprimante de bureau commerciale. Les chercheurs ont utilisé cette méthode pour fabriquer une variété d'objets complexes, notamment des patchs en treillis, des jouets pliables, des emballages intelligents et des clés mécaniques.
Les scientifiques ont soumis ces objets à la chaleur, pour modifier temporairement leur forme et pour des applications ultérieures de récupération de forme. L'équipe a utilisé des tests de traction pour montrer la nature adaptable des polymères à mémoire de forme, afin de répondre à des applications spécifiques en génie biomédical. De tels patchs de treillis imprimés en 3D sont bien adaptés à la détection des contraintes dans les applications de mouvements articulaires. Les chercheurs ont enregistré les changements de résistance électrique du patch intelligent imprimé en 3D pour détecter le mouvement des articulations des membres artificiels et des bras des patients.
Plus d'informations : Fahad Alam et al, Impression Swift 4D de polymères à mémoire de forme thermosensibles par photopolymérisation en cuve, NPG Asia Materials (2023). DOI :10.1038/s41427-023-00511-x
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