3D打印网-中国3D打印门户

熱門標簽-網站地圖-注冊-登陸-手機版-投稿 3D打印網,中國3D打印行業門戶網!
當前位置:主頁 > 新聞頻道 > 國外快遞 > 正文

多響應4D打印智能納米復合材料的遠程變形研究

時間:2025-06-21 13:15 來源:EFL生物3D打印與生物制造 作者:admin 閱讀:

        在4D打印領域,盡管該技術能制造隨時間和外部刺激改變形狀、屬性或功能的物體,但其面臨兩大關鍵挑戰:一是缺乏有效的遠程控制手段,二是依賴單一驅動方式,這極大限制了其在生物醫學、智能機器人等多領域的應用。例如,傳統熱響應形狀記憶聚合物(SMP)需通過水浴、熱槍等直接接觸熱源觸發變形,存在接觸面積不可控、空間選擇性差等問題,且多數研究聚焦單一刺激驅動的4D變形,難以滿足復雜場景需求。  
      針對上述痛點,來自喬治華盛頓大學的Lijie Grace Zhang教授團隊開展了相關研究。團隊開發出一種新型多響應智能納米復合材料,通過將近紅外(NIR)響應的聚吡咯(PPy)包覆磁性氧化鐵(Fe₂O₃)納米顆粒(PPy@Fe₂O₃ NPs)摻雜到熱響應SMP基質中,賦予材料NIR光熱效應與磁場響應雙重功能;谠摬牧希瑘F隊利用4D打印技術制備了半管狀結構用于調控神經干細胞行為,并設計了智能抓手、智能螃蟹、智能星等三款概念驗證型機器人,實現了貨物抓取、運輸、釋放及三維空間導航等復雜操作的NIR和磁場遠程控制。  
       相關研究成果以“Development of novel multi-responsive 4D printed smart nanocomposites with polypyrrole coated iron oxides for remote and adaptive transformation”為題發表在《Materials Horizons》上。該工作突破了傳統4D材料的控制局限性,為生物醫學工程、智能機器人等領域提供了兼具多功能性與精準操控性的新范式。
研究內容
1. 納米復合材料的合成、制備與表征,通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、差示掃描量熱法(DSC)、掃描電子顯微鏡(SEM)及單軸拉伸測試等方法,研究了PPy@Fe₂O₃納米顆粒的化學結構、納米復合材料的玻璃化轉變溫度(Tg)、微觀形貌及力學性能。結果表明,PPy成功包覆在Fe₂O₃納米顆粒表面,納米復合材料的Tg隨PPy@Fe₂O₃含量增加略有升高(S0至S15的Tg為44.65-48.39℃),且顆粒在基質中均勻分散但存在局部團聚,添加納米顆粒后材料延展性和拉伸模量降低。  

 

圖1. 4D納米復合墨水的合成、制備與表征。


2. 納米復合材料的熱響應形狀記憶性能,通過形狀記憶循環測試(加熱至60℃變形、0℃固定形狀),研究了不同PPy@Fe₂O₃含量樣品(S0-S15)的形狀固定率(Rf)和恢復率(Rr)。結果表明,所有樣品Rf均達99%,但Rr隨納米顆粒含量增加而降低(S0至S15的Rr為96%-90%),低溫(50℃)觸發時恢復速度減慢,且材料在人體體溫(37℃)下無法完全恢復。  
 

圖2. 納米復合材料的熱觸發形狀記憶性能。  


3. 近紅外(NIR)觸發的4D變形性能,通過NIR激光(808 nm)照射,研究了納米復合材料的光熱響應特性及空間可控變形能力。結果表明,不含納米顆粒的S0樣品無NIR響應,而含PPy@Fe₂O₃的樣品在2000 mW NIR下25秒

內恢復率超90%,且通過局部照射可實現“櫻花綻放”“人體肢體伸展”等模型的分步精準變形,證明了NIR觸發的時空可控性。  

 

圖3. 納米復合材料的精準動態可控NIR觸發4D變形。  


4. 納米復合材料的生物相容性與神經干細胞調控,通過CCK-8 assay、免疫熒光染色(MAP2標記)及細胞形態觀察,研究了含5% PPy@Fe₂O₃的S5樣品對神經干細胞(NSCs)黏附、增殖和分化的影響。結果表明,NSCs在材料表面黏附良好,培養7天內增殖正常,誘導分化10天后表達神經元標志物MAP2,證明材料具有優異生物相容性,且半管狀結構經NIR觸發變形后可引導細胞三維分布。  
 

圖4. NIR響應4D打印半管狀結構的生物相容性與細胞調控。  


5. 4D打印智能抓手的遠程操控性能,通過NIR照射和外部磁場,研究了基于納米復合材料的智能抓手的抓取、提升和運輸能力。結果表明,抓手在NIR觸發下可從開放狀態閉合抓取0.4g螺絲,鉸鏈段提升高度達8 mm,結合磁場驅動可將貨物精準運輸至目標位置,展示了多響應驅動的復雜操作能力。  
 

圖5. NIR和磁場遠程驅動的4D打印智能抓手。  


6. 智能螃蟹機器人的迷宮導航與多貨物遞送,通過磁場控制運動軌跡、NIR觸發爪子開合,研究了智能螃蟹(SC)在復雜迷宮中的定向移動和分點貨物釋放能力。結果表明,SC可沿“GWU”圖案精準移動,在兩個指定位置依次釋放貨物,完成雙貨物遞送任務,驗證了多響應控制在復雜場景中的實用性。  
 

圖6. 概念驗證型智能螃蟹(SC)的貨物遞送與迷宮導航。


7. 智能星機器人的三維空間細胞遞送,通過磁場驅動在模擬血管(PVC管)中運動、NIR觸發釋放細胞負載水凝膠珠,研究了智能星(SS)的3D導航和生物醫學應用潛力。結果表明,SS可攜帶包裹神經干細胞的海藻酸鈣珠避開障礙物,在目標位置釋放細胞,且釋放過程中細胞存活率超80%,為體內組織修復提供了新策略。  
 

圖7. 概念驗證型智能星(SS)的三維細胞遞送與血管導航。


研究結論
本研究成功設計了一種創新的多響應4D納米復合材料,通過將合成的納米顆粒摻雜到形狀記憶聚合物基質中,使其展現出優異的光響應和磁響應特性。與其他4D打印材料相比,該納米復合材料可通過近紅外激活實現精準、動態且可遠程控制的時空變形,并能通過磁力推進在三維空間中移動。此外,本研究開發了一種概念驗證性4D打印半管狀結構,為制備滿足結構和功能需求的動態組織構建體提供了有效方法。利用該納米復合材料,研究人員設計并制造了三款用于不同目的的概念驗證智能機器人。這些智能機器人除了具備基本的貨物抓取能力外,還能夠將不同貨物提升并遞送至指定位置,并在受限環境中進行三維空間導航。重要的是,所有這些復雜操作均通過近紅外光照和外部磁場遠程控制實現,凸顯了該納米復合材料在細胞或藥物遞送、組織修復或疾病治療等各種應用中的潛力。

文章來源:

https://doi.org/10.1039/d4mh01804d



 

(責任編輯:admin)

weixin
評論
發表評論
請自覺遵守互聯網相關的政策法規,嚴禁發布色情、暴力、反動的言論。
評價:
主站蜘蛛池模板: 绍兴上虞大成网络有限公司——因为专注,所以专业 | 丝杆升降机-蜗轮丝杆升降机-电动推杆-德州市金宇机械有限公司 | 济宁市泓世新型建材有限公司,山东ALC墙板,GRC轻质隔墙板,预制化粪池,复合墙板加工厂家 | 久久黄色一级视频_视频一区精品自拍_理论片免费ā片在线观看_亚洲色视频在线播放网站_香港经典a毛片免费观看_亚州三级久久电影 | 久久91精品久久91综合_国产亚洲自拍一区_国产精品第1页_亚洲高清视频一区_91成人午夜在线精品_亚洲国产精品网站在线播放_亚洲国产成人久久综合区_国产精品亚洲专区在线观看_免费视频精品一区二区三区 | 漫画大全免费看_漫画终身版_羞羞漫画网 | 消防排烟风机|防火阀|斜流风机|江苏恒恒暖通设备有限公司 | 酒店设计_建筑设计_室内装修装饰-北极点酒店设计公司 | 青砖_仿古砖_仿古小青瓦-「肥西晓军仿古建材」 | 青州市昌达机械设备有限公司_洗石机-洗砂机-筛沙机-砂石分离机-洗轮机-制砂机 | 天津津腾,微孔滤膜,隔膜真空泵,针式过滤器-艾科仪器 | 垃圾分类,北京垃圾分类,有机废弃物处理,智慧环卫,垃圾分类展 | 智能照明模块,智能动力控制器,巨川电气-智能电气领航 | 郑州四棉纺织有限公司-现代化纺织企业 | 立式/卧式/暖气/管道泵,管道离心泵选型,管道增压泵型号 - 安平鼎千泵业制造厂 | 生物发酵罐(细菌/植物/液体玻璃实验室发酵罐设备)CIP清洗罐,灭活罐「厂家」-安徽赛德齐瑞发酵罐品牌 | 无缝钢管生产厂家-20G-L360N无缝钢管价格-天津海诚无缝钢管集团 无尘投料站-真空上料机-旋振筛|超声波振动筛|摇摆筛|筛分机-新乡市欧霖佳机械有限公司 | 吸附式干燥机|零气耗压缩热干燥机|无锡气净法工业技术有限公司【官网】 | 青岛熔喷过滤芯_青岛过滤器生产厂家_青岛净水滤料厂家_青岛净达过滤技术有限公司 | 拉丝模|高晶异形拉丝模|联合拉拔机模具|钼丝拉丝模|金刚石纳米涂层模|焊丝拉丝模|钨钢拉丝模|聚晶拉丝模_河北恩泰利嘉金属制品有限公司 | 乐清人才网_乐清招聘网_求职找工作平台 | 南京样本设计,彩页制作,宣传册设计,画册设计印刷,包装设计公司,南京台历制作 | 武汉东湖高新集团股份有限公司官网 | 锦州龙威机械有限公司官网 ,锦州医药包装机,包装机,锦州包装机械,小袋颗粒装盒生产线,颗粒装盒生产线,软双铝装盒线,伺服颗粒 | 永磁电机,防爆电机,调速电机,永磁同步电机_河南华信电机股份有限公司 | 泡沫混凝土垫层填充厂家,发泡混凝土垫层填充,轻质混凝土垫层填充厂家,深圳市鸿奥建材发展有限公司 | 饲料设备_饲料加工设备_饲料成套加工设备专业提供商-河南杰昌机械设备有限公司 | 真空系统,真空泵租赁技术服务-兆德机械(上海)有限公司 | 泰州LOGO设计-品牌VI设计-泰州广告设计公司-大唐歌飞广告设计公司 | 皮带输送机(输送机械)-带式输送机-皮带输送机生产厂家-河南坤威机械 | 红都服装官网-北京红都西服-红都西服定制-北京红都集团 | 热电偶_电磁流量计_温度传感器_涡轮流量计_铠装PT100_压力变送器-中瑞能 | 南通市通州区锦标建材有限公司-排水板,塑料排水板,植草格厂家 | 郑州房产律师|专业房地产纠纷律师热线_河南锦盾律师事务所 | 河南省恒达锅炉制造有限公司| 山东胜王水处理设备有限公司,反渗透设备,纯净水设备,污水处理设备,SWS系列全自动钠离子交换器,纯净水设备报价,活性碳过滤器,多介质过滤器 | 立式/卧式/暖气/管道泵,管道离心泵选型,管道增压泵型号 - 安平鼎千泵业制造厂 | 威海牙科,威海种植牙,威海人工种植牙-威海经济开发区姚晓艺口腔诊所 | 陕西散花照明-西安太阳能路灯,陕西太阳能路灯,西安太阳能路灯厂家,陕西太阳能路灯厂家 | 兰州钢结构,甘肃铝镁锰板工程,青海岩棉复合板厂家,宁夏岩棉彩钢板公司,西宁彩钢夹芯板-兰州腾达彩钢 | 网带式等温正火生产线_燃气式铝合金加热炉_燃气式烘干窑炉-湖州中科炉业科技有限公司 |