طباعة سريعة رباعية الأبعاد باستخدام بوليمرات تتميز بذاكرة الشكل

نشر موقع "phys.org" تقريرا للدكتور ثاماراسي جيواندارا قال فيه؛ إن البوليمرات المتميزة بذاكرة الشكل أو المواد المتغيرة الشكل، تُعد مواد ذكية اكتسبت اهتماما كبيرا في علوم المواد والهندسة الطبية الحيوية في السنوات الأخيرة لبناء الهياكل والأجهزة الذكية. معالجة الضوء الرقمية هي طريقة تعتمد على البلمرة الضوئية، مع تقنية أسرع بكثير لطباعة طبقة كاملة في خطوة واحدة لإنشاء مواد ذكية.

قام فهد علام وفريق من العلماء في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر والهندسة النووية في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، في المملكة العربية السعودية، بتطوير طريقة سهلة وسريعة لطباعة ثلاثية الأبعاد لهياكل ذكية، تعتمد على البوليمر وذاكرة الشكل مع الطباعة الضوئية الرقمية. طابعة ثلاثية الأبعاد ومادة صمغية مخصصة.

لقد قاموا بدمج البلورات السائلة (مادة يمكن أن تغير شكلها مع درجة الحرارة) مع المادة الصمغية، لتقديم خصائص ذاكرة الشكل للطباعة ثلاثية الأبعاد مباشرة للهياكل التي تستجيب للحرارة، مع تجنب تعقيد تحضير المادة الصمغية. قام الفريق بطباعة الهياكل بأشكال هندسية مختلفة وقياس استجابة ذاكرة الشكل. يمكن تحضير البوليمرات ذات ذاكرة الشكل بسهولة لاستخدامها كأدوات ذكية وألعاب ومواد فائقة.

تم نشر ورقة البحث في مجلة NPG Asia Materials.

تنتمي البوليمرات المتميزة بذاكرة الشكل إلى فئة البوليمرات الذكية ثنائية الشكل، التي يمكن أن تخضع لتشوه ميكانيكي وتعود إلى شكلها الأصلي استجابة للمعايير البيئية. تعتمد استعادة البوليمر المتميزبذاكرة الشكل على استخدام المحفزات الخارجية، مثل الحرارة والضوء والكهرباء والرطوبة وتغيرات الرقم الهيدروجيني (pH).

مثل هذه المواد، عبارة عن تركيبات متغيرة الشكل وقد اكتسبت اهتماما كبيرا في السنوات الأخيرة؛ نظرا لتعدد استخداماتها وصلاحيتها الصناعية. وأظهر فريق البحث طباعة رباعية الأبعاد لبوليمرات تتمتع بذاكرة الشكل عبر معالجة الضوء الرقمية. طريقة طباعة ثلاثية الأبعاد تعتمد على بلمرة ضوئية. سلطت النتائج الضوء على مدى ملاءمة الهياكل المعقدة المطبوعة ثلاثية الأبعاد لمجموعة متنوعة من التطبيقات.

قام فريق البحث بالتحقيق في تأثير ذاكرة الشكل للعينات المطبوعة ثلاثية الأبعاد، من خلال دراسة عملية إدخال الشكل واستعادته. أتاحت هذه الطريقة طباعة سهلة وعالية الدقة لتصميمات ثلاثية الأبعاد معقدة. تعد هذه التركيبات مفيدة عبر مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الرقع الذكية المرنة والأدوات الميكانيكية ذات الحجم المتغير والألعاب القابلة للتشوه. في هذا العمل، طور علام وزملاؤه بوليمرا ذا ذاكرة شكلية، يعتمد على البلورات السائلة ممزوجة بمادة صمغية قابلة للمعالجة ضوئيا، لتطوير بوليمر شبه بلوري، ووصف آلية عمله بناء على دراسات سابقة.

لاحظ الفريق الشكل الداخلي للمقاطع العرضية المطبوعة ثلاثية الأبعاد مع أو دون بلورات سائلة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، ثم لاحظوا استجابات البوليمرات ذات الذاكرة الشكلية بالنسبة لقدرتها على التعافي بعد حمل وزن. أظهر العمل الحالي تأثير معالجة الضوء الرقمي ثلاثي الأبعاد لإنشاء بوليمرات ذات ذاكرة شكلية مع تأثيرات رباعية الأبعاد. قام العلماء بقياس استجابة ذاكرة الشكل لإظهار نسبة زاوية الاسترداد مقابل الوقت.

استكشف الباحثون التطبيقات الواعدة لبوليمرات الذاكرة الذكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد. ولتحقيق ذلك، حدد علام وزملاؤه الخواص الميكانيكية للمواد، عن طريق إجراء اختبارات الشد على عينة من عظام الكلاب، لإظهار كيف يمكن ضبط الخواص الميكانيكية للمواد المطبوعة من خلال تنظيم شكل الهياكل الشبكية.

وأكدوا قابلية الضبط الميكانيكي للمواد الذكية عن طريق إجراء عمليات محاكاة العناصر المحدودة، وقارنوا النتائج التجريبية مع اختبارات الشد من تحليل العناصر المحدودة. تم الاتفاق على الأداء الميكانيكي للشبكات ثنائية الأبعاد، التي تمت ملاحظتها من خلال التجربة والتنبؤ بها من خلال المحاكاة. واستنادا إلى المرونة وقابلية التمدد، اختبر علام وفريقه العينات لاختبار الضغط ولتطبيقات استشعار حركة المفاصل.

لتسهيل حركة المفاصل من خلال تكامل البوليمر، قام العلماء بتطبيق طلاء موصل مصنوع من الفضة النانوية كقطب كهربائي. وقاموا بقياس التغيرات في المقاومة الكهربائية عن طريق تمديد وضغط الهيكل لتسهيل الحركة لدى المرضى.

أظهرت نتائج قياس مقاومة رقعة القطب الكهربائي الشبكة المُجهزة إمكانية استخدامها كرقعة ذكية لاستشعار حركة المفصل. يمكن تطبيق ذلك على الركبة البشرية أو مفصل الكوع، أو الطرف الاصطناعي أو الأطراف الحقيقية لاستشعار الحركة. يمكن تخصيص بقع الأقطاب الكهربائية هذه حسب حجم المريض ضمن عمليات تصنيع سهلة وسريعة.

وبهذه الطريقة، قدم فهد علام وفريقه طريقة لطباعة مواد ذكية ثلاثية الأبعاد، من خلال استخدام بوليمرات ذاكرة الشكل أولا، لتصنيع سهل وسريع من خلال معالجة الضوء الرقمية.

وقام العلماء بتخصيص النماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء هياكل تتغير مع مرور الوقت، وهو ما يُعرف بالطباعة رباعية الأبعاد. لقد حققوا ذلك من خلال الجمع بين البلورات السائلة والمواد الصمغية، وطباعتها باستخدام طابعة مكتبية تجارية ثلاثية الأبعاد. استخدم الباحثون هذه الطريقة لتصنيع مجموعة متنوعة من الأشياء المعقدة، بما في ذلك الرقع الشبكية والألعاب القابلة للطي ومواد التغليف الذكي والمفاتيح الميكانيكية.

قام العلماء بتعريض هذه الأجسام للحرارة لتغيير شكلها بشكل مؤقت، ولتطبيقات لاحقة لاستعادة الشكل. استخدم الفريق اختبارات الشد لإظهار الطبيعة القابلة للتعديل للبوليمرات ذات الذاكرة الشكلية، لتلبية تطبيقات محددة في الهندسة الطبية الحيوية. تعد هذه البقع الشبكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد مناسبة تماما لاستشعار الضغط في تطبيقات حركة المفاصل. وسجل الباحثون التغيرات في المقاومة الكهربائية من الرقعة الذكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد للكشف عن الحركة في مفاصل الأطراف الصناعية وأذرع المرضى.