Harvard-Forscher entwickeln umweltfreundliches 3D-Druckmaterial mit Formgedächtnis

Forscher der Harvard University’s School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben ein 3D-Druckmaterial entwickelt, das mit einem reversiblen Formgedächtnis vorprogrammiert werden kann.

Das neuartige Filament des Harvard-Teams besteht aus zwei Keratinketten, die zu federartigen Strukturen angeordnet und miteinander verdreht sind. Sobald das Material zu einer “gewickelten Spule” verbunden ist, kann es in jede beliebige Form gebracht werden, bevor es in einem “Formgedächtniseffekt” zu seiner ursprünglichen Form zurückkehrt.

Da das biokompatible Material des Teams aus recycelter Wolle hergestellt wurde, hat das Polymer auch potenzielle ökologische Vorteile sowie Anwendungen im medizinischen Prothesen- und Textilsektor.

Das neuartige Filament der Forscher basiert speziell auf der in den Tierhaaren vorhandenen anisotropen Organismenstruktur der Keratine. Die Verwendung von natürlicher Wolle als Grundlage für das 3D-Druckmaterial des Teams bot viele Vorteile wie wasserausgelöste Reaktionen und eine höhere Zugfestigkeit als vergleichbare bestehende Systeme. Die auf Extrusion basierende Produktion erwies sich auch als sehr verträglich mit der Wolle, da sie sich selbst zu “Protofibrillen” (oder Clustern) organisiert, was zu einer verbesserten Verarbeitbarkeit führt.

Das Forscherteam verwendete fibrilläres Keratin, das aus der Angora-Wolle weggeworfener Kleidung extrahiert wurde, um ihr neuartiges 3D-Druckpolymer herzustellen. Um den Keratingehalt in der Wolle zu extrahieren und nutzbar zu machen, verwendete das Team eine Kombination von Lithiumbromid- und Dithiothreitol-Lösungen (DTT), um einen Fest-Flüssig-Übergang zu induzieren. Das daraus resultierende kristallisierte Keratin wurde dann weiter extrudiert, wodurch es von einem Protein-Dotierstoff in ein druckbares Hydrogel umgewandelt wurde.

Um die Auswirkungen der chemischen Reaktion zu beurteilen, setzte das Team eine kryogene Transmissionselektronenmikroskopie ein, um zu überprüfen, ob sich die einzelnen Keratinketten erfolgreich zu gewickelten Spulen geformt hatten. Die Ergebnisse zeigten, dass die einzelnen Stränge zu größeren Protofasern konvergiert waren, die ∼3nm messen und kaum Anzeichen eines Proteinabbaus aufweisen. Weitere Schliffbildversuche ergaben auch, dass das Material eine Zugfestigkeit von +1,03MPa aufweist, die der von Nylon- und Seidenfasern entspricht.

Entscheidend war auch, dass die Protofasern sich selbst in eine nematische Kristallphase organisieren, wenn sie einer Scherbelastung ausgesetzt werden, während sie nach einem vorprogrammierten Stimulus in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Um das Formgedächtnispotenzial ihres neuen Materials zu bewerten, 3D druckte das Harvard-Team die Keratinplatten in eine Vielzahl von Formen und Strukturen.

Anschließend wurde eine Mischung aus Wasserstoffperoxid und Mononatriumphosphat verwendet, um den Formen ein dauerhaftes Design zu geben, zu dem sie zurückkehren konnten, und die Prototypen wurden in Wasser eingetaucht. Nach dem Eintauchen in Wasser wurden die Materialien formbar und konnten in jedes gewünschte Design umgeformt werden, aber wenn sie entfernt wurden, kehrten die getrockneten Fasern in ihre vorprogrammierten Formen zurück.