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哈佛大学开发形状记忆3D打印材料

近年来,形状记忆材料的应用数量呈指数增长。土木工程,航空航天,可穿戴设备和医疗设备领域的公司都显示出对可定制聚合物的需求增加,并且比现有聚合物具有更大的灵活性。 尽管最近在该领域进行了研究,但是开发一种既可定制又可生物相容的材料仍然是一个挑战。近期,哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员已经开发出一种3D打印材料,该材料可以预先编程为具有可逆的形状记忆功能。

该研究小组使用了从废弃服装的安哥拉羊毛中提取的原纤维角蛋白来制造新型3D打印聚合物。为了提取和利用羊毛中的角蛋白含量,研究小组使用了溴化锂和二硫苏糖醇(DTT)溶液的组合来诱导固液转变。然后将所得的结晶角蛋白进一步挤出,将其从蛋白质浓液变成可印刷的水凝胶。

为了评估化学反应的影响,研究小组部署了低温透射电子显微镜,以验证单个角蛋白链已成功形成卷曲螺旋。结果表明,单链已经汇聚成较大的原纤维,约3nm,几乎没有蛋白质降解的迹象。进一步的显微照片测试还显示,该材料的抗张强度为+ 1.03MPa,与尼龙和丝纤维的抗张强度相同。

至关重要的是,还发现原纤维在受到剪切应力时会自组织成向列晶相 ,而在预编程的刺激下会恢复为原始形状。为了评估其新材料的形状记忆潜力,哈佛团队3D将角蛋白片印刷成各种形状和结构。

然后使用过氧化氢和磷酸二氢钠的混合物使形状永久不变,然后将原型浸入水中。一旦进入水下,这些材料就变得具有延展性,可以重塑成所需的任何布局,但是当它们被去除时,干燥的纤维又恢复了它们的预编程形状。

重塑记忆形状的3D打印材料

随着纤维的干燥以及它们的氢键开始重新形成,片材显示出应力的突然增加,这与材料恢复到与以前相同的拉伸强度水平相对应。再水化后,经过数个应力应变循环,纤维的恢复效率达到了接近100%的值,并且可观察到的收缩率最小。

总体而言,研究人员得出的结论是,他们创造了一种独特的基于层次结构的基于纤维的3D打印材料,该材料具有形状记忆特性和较高的机械稳定性。哈佛大学的研究小组认为,他们的可再生资源将来可能会被用于生产可生物降解的智能纺织品,例如可吸收人体机能的服装或吸收应变能的医疗产品。

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