Исследователям Швейцарского Института Контроля Качества Материалов и Лабораторных Исследований EMPA удалось достигнуть успеха в разработке экологически чистых чернил для объёмной печати на основе нанокристаллов целлюлозы. Эта разработка может быть использована для производства микроструктур с выдающимися механическими свойствами, которые найдут применение в протезировании и других отраслях медицины.
С целью создания трехмерных микроструктурированных материалов, сотрудники EMPA использовали аддитивную технологию 3d-печати под названием робокастинг (Direct Ink Writing, DIW). Во время этого процесса вязкое вещество, материал для печати, поступает через сопло и сразу же принимает нужную форму благодаря псевдопластичности. Доктор Жилберто Сикейра и доктор Таня Циммерман из Лаборатории древесных материалов совместно с Дженнифер Льюис из Гарвардского университета и Андре Штудартом из Швейцарской высшей технической школы Цюриха преуспели в разработке нового экологически чистого материала для 3d-печати на основе нанокристаллов целлюлозы (CNC).
Наряду с лигнином и гемицеллюлозами, целлюлоза является основным компонентом древесины. Этот биополимер состоит из цепей глюкозы, организованных в длинные волокнистые структуры. На разных участках – разная степень упорядоченности фибрилл целлюлозы. «Места с более упорядоченной структурой характеризуются ярко выраженной кристаллической формой, и именно эти участки мы используем для наших исследований», – объясняет д-р Сикейра. После кислотной обработки указанных участков, исследователи получают продукт в виде нанокристаллов целлюлозы – стержнеобразные структуры длиной 120 нм и диаметром 6.5 нм. Именно эти образования послужили материалом для создания экологически чистых «чернил» для 3d-печати. На их основе удалось получить «чернила» с содержанием CNC около 20%, в то время как предыдущие разработки содержали не более 2.5% этого биоматериала.
«Главная проблема заключалась в достижении вязкой эластичной консистенции, чтобы расходный материал легко проходил через сопла принтера для объемной печати», – говорит д-р Сикейра. При этом материал должен был быть достаточно плотным, дабы модель держала форму перед сушкой или полимеризацией, не расплавляясь сразу после печати. Первые «чернила» с целлюлозой были на водной основе, из-за чего прототип получался очень хрупким. Поэтому команда исследователей EMPA изобрела еще один метод изготовления расходного материала, уже на основе полимера. Этот способ имеет весомое преимущество: после печати и полимеризации с помощью УФ-изучения, нанокристаллы целлюлозы «склеиваются» полимерными блоками, что придает композитному материалу дополнительную прочность.
Невзирая на сопротивление
Исследователи признаются, что им пришлось серьезно поломать голову над решением отдельных проблем. «Большинство полимеров являются водоотталкивающими или гидрофобными, в то время как целлюлоза, будучи гидрофильной, притягивает воду. В итоге они несовместимы», – сетует д-р Сикейра. Для создания благоприятных условий, ученые прибегли к химической обработки поверхности CNC.
После первых попыток печати и рентгеновского анализа полученных микроструктур, специалисты лаборатории заметили, что нанокристаллы целлюлозы почти идеально выровнялись в направлении печати. Оказалось, что степень упорядоченности зависит от силы, с которой «чернила» продавливаются через сопла 3d-принтера. Эту особенность можно использовать, если необходимо получить модель, имеющую определенную жесткость в том или ином направлении.
Море возможностей
Указанные выше преимущества CNC оказались решающими при сравнении их с другими материалами, например, углеродными волокнами. Кроме того, целлюлоза является возобновляемым материалом и наиболее часто встречающимся природным полимером на Земле. Она встречается не только в деревьях, но и других растениях и даже бактериях. Кристаллы, полученные путем выделения с различных источников, отличаются друг от друга лишь размерами, а не свойствами.
Автомобильная и упаковочная индустрии также могут использовать этот универсальный материал, который при необходимости может быть химически модифицирован в ходе 3d-печати. Однако, по мнению д-ра Сикейры, наиболее важное приложение «чернил» с нанокристаллами целлюлозы – биомедицина и протезирование в частности.
Возможности новых «чернил» прямо сейчас изучаются в стенах EMPA. При этом параллельно ведется разработка новых экологически чистых расходных материалов, предназначенных для различных сфер объемной печати.
Прочитать о других технология 3D печати можно у нас в обзоре.
