Pulpos microscópicos de una impresora 3D
Los polímeros inteligentes desarrollados recientemente tienen propiedades "similares a las de la vida".
Aunque a primera vista no son más que criaturas simpáticas, los gecos y pulpos microscópicos fabricados mediante impresión láser 3D en los laboratorios de ingeniería molecular de la Universidad de Heidelberg podrían abrir nuevas oportunidades en campos como la microrobótica o la biomedicina. Las microestructuras impresas están fabricadas con materiales novedosos -conocidos como polímeros inteligentes- cuyo tamaño y propiedades mecánicas pueden ajustarse a voluntad y con gran precisión. Estas microestructuras en 3D, que parecen reales, se han desarrollado en el marco del clúster de excelencia "3D Matter Made to Order" (3DMM2O), una colaboración entre Ruperto Carola y el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT).
Polímeros inteligentes con propiedades "similares a las de la vida": gracias a los enlaces químicos dinámicos, las estructuras 3D micrométricas pueden multiplicarse por ocho en pocas horas y endurecerse. Escala: 20 micrómetros (µm).
© Christoph Spiegel (Heidelberg University). Adapted from Y. Jia et. al, Adv. Funct. Mater. 2022, 2207826 (CC BY 4.0)
"La fabricación de materiales programables cuyas propiedades mecánicas pueden adaptarse a la carta es muy deseada para muchas aplicaciones", afirma la profesora junior Dra. Eva Blasco, jefa de grupo del Instituto de Química Orgánica y del Instituto de Ingeniería de Sistemas Moleculares y Materiales Avanzados de la Universidad de Heidelberg. Este concepto se conoce como impresión 4D, y la cuarta dimensión adicional se refiere a la capacidad de los objetos impresos en tres dimensiones de alterar sus propiedades con el tiempo. Un ejemplo destacado de materiales para la impresión en 4D son los polímeros con memoria de forma, materiales inteligentes que pueden recuperar su forma original a partir de un estado deformado en respuesta a un estímulo externo como la temperatura.
El equipo dirigido por el profesor Blasco ha presentado recientemente uno de los primeros ejemplos de polímeros con memoria de forma impresos en 3D a microescala. En colaboración con el grupo de trabajo del biofísico Prof. Dr. Joachim Spatz, científico de Ruperto Carola y director del Instituto Max Planck de Investigación Médica, los investigadores desarrollaron un nuevo material con memoria de forma que puede imprimirse en 3D con alta resolución tanto a macro como a microescala. Las estructuras producidas incluyen microarquitecturas en forma de caja cuyas tapas se cierran en respuesta al calor y pueden volver a abrirse. "Estas minúsculas estructuras muestran propiedades inusuales de memoria de forma a bajas temperaturas de activación, lo que resulta muy interesante para las bioaplicaciones", explica Christoph Spiegel, investigador doctoral del grupo de trabajo de Eva Blasco.
Utilizando materiales adaptativos, los investigadores consiguieron en un estudio posterior producir microestructuras 3D mucho más complejas, como geckos, pulpos e incluso girasoles con propiedades "similares a las de la vida". Estos materiales se basan en enlaces químicos dinámicos. Los investigadores de Heidelberg informan de que las alcoxiaminas son especialmente adecuadas para este fin. Tras el proceso de impresión, estos enlaces dinámicos permiten que las complejas estructuras micrométricas se multipliquen por ocho en pocas horas y se endurezcan, manteniendo su forma. "Las tintas convencionales no ofrecen estas características", subraya el profesor Blasco. "Los materiales adaptativos que contienen enlaces dinámicos tienen un brillante futuro en el campo de la impresión 3D", añade el químico.
Los científicos de materiales del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) también participaron en la investigación sobre materiales adaptables con propiedades "similares a las de la vida". La Fundación Alemana de Investigación y la Fundación Carl Zeiss financiaron el trabajo, que se llevó a cabo en el marco del Clúster de Excelencia 3DMM2O. Los resultados se han publicado en dos artículos en la revista "Advanced Functional Materials".
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Publicación original
C.A. Spiegel, M. Hackner, V.P. Bothe, J.P. Spatz, E. Blasco: 4D Printing of Shape Memory Polymers: From Macro to Micro. Advanced Functional Materials (6 February 2022).
Y. Jia, C.A. Spiegel, A. Welle, S. Heißler, E. Sedghamiz, M. Liu, W. Wenzel, M. Hackner, J.P. Spatz, M. Tsotsalas, E. Blasco: Covalent Adaptable Microstructures via Combining Two-Photon Laser Printing and Alkoxyamine Chemistry: Toward Living 3D Microstructures. Advanced Functional Materials (22 September 2022).
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