Nieuwe materialen, die zijn opgebouwd uit meerdere 3D-geprinte lagen, veranderen door een externe prikkel van vorm. Onderzoekers van de TU Delft maakten hiermee strookjes die zichzelf oprollen, tot helix vormen of een golvende vorm aannemen. De materialen zijn een eerste kleine stap op weg naar toepassing in medische implantaten.


Voor het gebruik als bioimplantaten (implantaten die bijvoorbeeld een beschadigd weefsel vervangen in het lichaam) zijn geavanceerde materialen nodig, met een complexe geometrie. ‘Maar idealiter willen we biomaterialen niet alleen optimaliseren in termen van hun 3D-structuur, maar ook wat betreft de nanopatronen op hun oppervlak’, vertelt dr. Amir Zadpoor van de TU Delft.

Maar die dubbele wens is een probleem. ‘Met 3D-printen kunnen we weliswaar heel complexe driedimensionale structuren maken, maar op het oppervlak kunnen we tijdens het 3D-printproces maar heel beperkt invloed uitoefenen. En met technieken uit de nanolithografie kunnen wel heel complexe nanopatronen worden gegenereerd, maar in het algemeen alleen op platte oppervlakken.’
 

Slimme truc

Hier komen de onderzoekers met hun slimme truc: ze brengen eerst nanostructuren aan op een plat ‘geheugenmateriaal’, dat is gemaakt met 3D-printen. Dit platte materiaal is heel subtiel van kenmerken voorzien, waardoor het later van vorm zal veranderen, op een manier die doet denken aan de Japanse vouwkunst origami.

 


Externe prikkel

De vormverandering komt doordat er meerdere lagen bovenop elkaar worden geprint. Voor die vormverandering is een externe prikkel nodig, vaak een temperatuursverandering. Een bekende combinatie van materialen is een shape memory polymer (een ‘geheugen-kunststof’) bovenop een rubberachtig polymeer. Het geheugenmateriaal schiet bij een hogere temperatuur in een andere toestand, en het rubber geeft mee.
 

Nieuwe vormen

Zo ontstaat een nieuwe vorm, die ook afhangt van de geometrieën van de verschillende lagen. Op deze manier kregen de Delftse onderzoekers verschillende vormveranderingen voor elkaar: zelfoprolling, zelfverdraaiing (een helix), gecombineerde zelfoprolling en -rimpeling en de vorming van golfvormige stroken; zie de figuur hiernaast. Zadpoor: ‘Ons werk is maar een kleine stap in de richting van betere medische implantaten, maar de vorderingen die we maken zijn inspirerend.’

Het werk van de Delftse onderzoekers werd al in augustus online gepubliceerd, maar is vanaf maandag ook coverartikel van het papieren tijdschrift Materials Horizons (artikel ‘Programming the shape-shifting of flat soft matter: from self-rolling/self-twisting materials to self-folding origami’)


 

Afbeeldingen: S. Janbaz et al., Materials Horizons 2016. Video's TU Delft