Strukturiertes Filament
Ein weiches, fadenförmiges Material mit einer präzise aufgebauten inneren Struktur.
Kannst du dir vorstellen, ein beliebiges Muster statt nur farbiger Streifen auf deine Zahnpasta zu malen? Wissenschaftler:innen haben eine Reihe von Werkzeugen entwickelt, die das möglich machen! Strukturierte Filamente verwenden eine neue Extrusionstechnik, um weiche Filamente auf Hydrogelbasis mit präzise angeordneten Komponenten herzustellen.
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Eigenschaften
Was ist das Besondere daran?
Fadenartiges Filament
Als extrudiertes Material liegt das Strukturierte Filament in einer fadenförmigen Form vor.
Feine Linien auf dem Filament verraten die verschiedenen Komponenten, aus denen es besteht.
Intern strukturiert
Das Filament besteht aus verschiedenen Komponenten, die in einer präzisen inneren Struktur angeordnet sind. Das Material behält seine Struktur auch dann bei, wenn es gebogen wird.
Das Strukturierte Filament ist weich und kann seine Form verändern, ohne seine innere Struktur zu verlieren.
Reagiert auf äussere Reize
Das Strukturierte Filament ist ein echter Formwandler! Bei Bedarf kann es so strukturiert werden, dass es seine Form ändert, indem es aufquillt, wenn es in ein Lösungsmittel, wie salziges oder reines Wasser, gelegt wird. Die verschiedenen Bestandteile des Materials schwellen unterschiedlich an, wenn sie mit der Flüssigkeit in Berührung kommen. Seine innere Struktur kann so gestaltet werden, dass es auf eine bestimmte Art und Weise aufquillt, so dass du jede beliebige Form erzeugen kannst.
Einstellbar
Die interne Architektur des Strukturierten Filaments kann angepasst werden, um zu steuern, wie das Material von den Eigenschaften seiner Komponenten profitiert. Das eröffnet eine völlig neue Art, Hydrogel-Verbundstoffe zu entwickeln.
Die interne Architektur eines Strukturierten Filaments kann so gestaltet werden, dass sie ein bestimmtes Verhalten erzeugt.
Anwendungen
Wofür kann es verwendet werden?
Da Strukturierte Filamente je nach ihrer inneren Struktur unterschiedliche Funktionen haben können, können sie verschiedenen Zwecken dienen.
Strukturierte Filamente könnten in medizinischen Gerüsten eingesetzt werden, um das kontrollierte Zellwachstum zu steuern. Sie könnten besonders für die präzise Entwicklung im Tissue Engineering nützlich sein.
Durch seine Fähigkeit, auf äussere Reize zu reagieren, kann ein Strukturiertes Filament als Umweltsensor eingesetzt werden, der Chemikalien in Gewässern aufspürt, um den Verschmutzungsgrad zu überwachen. Die Form des Materials kann (ähnlich wie das Licht der Sensor-Tinte) Hinweise auf die Zusammensetzung bestimmter chemischer Elemente im Wasser geben, ohne dass eine externe Energiequelle benötigt wird.
Aus unserer Sicht ist das Innovative die präzise und kontrollierte Verteilung der verschiedenen Phasen in einer monolithischen Struktur – einem Filament, das gedruckt werden kann. In diesem Fall verteilen wir verschiedene Hydrogelphasen, die dann für die unterschiedliche Quellung verantwortlich sind.
Zusammensetzung
Aus was bestehen Strukturierte Filamente?
Die Strukturierten Filamente bestehen aus verschiedenen Polymeren und bilden ein gemischtes Hydrogel. Hydrogele sind 3D-Netzwerke aus vernetzten, mit Wasser gequollenen Polymeren. Die Beispiele hier sind allesamt Mischungen aus PAA (Polyacrylsäure)-Mikrogelen und PEGDA (Polyethylenglycoldiacrylat)-Hydrogelen.
Eine fluoreszierende Mikroaufnahme des Querschnitts des Fadens.
Herstellung
Wie wird das Filament hergestellt?
Advektive Montage
Wie strukturiert man den Fluss? Dieses Material erhält seine Persönlichkeit durch seine innere Struktur, in einem Prozess, der advektive Montage (engl. advective assembly) genannt wird. Stell dir eine gestreifte Zahnpasta vor, nur mit viel mehr Kontrolle über die Form der Streifen.
Die Struktur entsteht durch die Anordnung der verschiedenen Komponenten in einer bestimmten Geometrie mit Hilfe eines “Assemblers”, der den Fluss strukturiert. Diese Geräte, die sogenannten Advective Assembler, erzeugen die Struktur, indem sie fliessende Materialien dazu zwingen, einen bestimmten Weg durch ein Netzwerk geschlossener Kanäle zu nehmen.
Schema eines Advective-Assembler-Druckkopfes.
Der Zusammenbau besteht aus verschiedenen Stufen, die die Farben in eine filigrane dreidimensionale Struktur verwandeln.
Bei der ersten Schichtung werden die verschiedenen Druckfarben in einem bestimmten Muster für die weitere Verarbeitung kombiniert.
Die Schichten werden vervielfältigt und durch ein kompliziertes Netzwerk von Kanälen angeordnet.
Im letzten Schritt werden zusätzliche Teile hinzugefügt, um die Struktur zu vervollständigen, wie die hier gezeigte Doppelkammgeometrie.
Druckkopf-Design
Der Advective-Assembler-Druckkopf ist das Herzstück dieser Herstellungstechnik. Er ist so konzipiert, dass er die innere Struktur des entstehenden Filaments durch Drehungen und Wendungen in den Kanälen erzeugt. Ein einziger Druckkopf kann verschiedene Variationen einer Struktur im extrudierten Material erzeugen, indem er Verarbeitungsparameter wie den Grad der Drehung und die relative Durchflussrate zwischen den verschiedenen Komponenten einstellt.
Die Kanäle in einem Druckkopf eines advective assembler.
Der Druckkopf ist ein System aus geschlossenen Kanälen mit verschiedenen Eingängen für die Tinten und der Öffnung für das extrudierte Material.
Verschiedene Quellen werden mit dem Advective Assembler durch komplizierte Kanäle gepresst, um das strukturierte Filament zu erzeugen.
Das Filament wird in ein sogenanntes "Stützbad" extrudiert und es sieht so aus, als würde das blaue Material schweben, wenn es erscheint.
Extrudiertes Filament
Nach dem Druck kann das Filament aus dem Stützbad entnommen werden und ist einsatzbereit.
Das finale Filament in Aktion.
Feedback
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Forscher des Strukturierten Filaments
Links
Möchtest du mehr über Strukturierte Filamente erfahren?
Lies das Forschungspapier: Advective Assembler-Enhanced Support Bath Rotational Direct Ink Writing
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