Tendencia: los polímeros en la impresión 4D

El uso de la manufactura aditiva o impresión 3D en polímeros ha crecido en popularidad durante los últimos años y se ha utilizado en áreas como el diseño de prototipo, en la ingeniería y la medicina. Esto debido a las ventajas que presenta, como la creación de piezas complejas y su rapidez de producción, desde el diseño en software hasta el producto físico.

La impresión 3D tiene la capacidad de crear piezas estáticas con una forma específica, pero que no cambian a través del tiempo y su forma no depende del medioambiente, caso contrario de las piezas realizadas dentro del concepto de impresión 4D.

La impresión 4D utiliza el tiempo como la cuarta dimensión, con el fin de crear objetos impresos en 3D, que tienen la propiedad de cambiar su forma después de haber sido impresos, para utilizarlos en aplicaciones tecnológicas.¹

Los cambios de forma son estimulados por la influencia de algún factor externo del ambiente y se pueden usar para mejorar la función de un dispositivo con el fin de reducir sus dimensiones, sus mecanismos y simplificar sus sistemas electrónicos.

En la impresión 4D se utilizan materiales catalogados como “inteligentes”, entre ellos hidrogeles o polímeros con memoria de forma, los cuales pueden ser plásticos termofijos o termoestables. Estos materiales son capaces de detectar cambios de temperatura, de iluminación, pH o humedad, y en consecuencia tener una expansión o estiramiento para activar alarmas, mecanismos o sistemas electrónicos; por lo tanto, sus aplicaciones se encuentran en áreas como la seguridad, la biomédica y la microelectrónica.^2,3

Materiales de impresión. En la impresión 4D, por lo general, se utilizan materiales llamados “inteligentes”, sensibles a un estímulo externo como el esfuerzo mecánico, el magnetismo, las cargas eléctricas, las longitudes de onda, etc. Pueden responder con cambios de color, transparencia, viscosidad, volumen, entre otras propiedades.

Estos materiales pueden tener dos tipos de respuesta: unidireccional y bidireccional. Los materiales unidireccionales son aquellos que al recibir un estímulo tienen un cambio físico y no regresan a su estado original (figura 1b). Esto significa que deben ser reprogramados o manipulados para volver a su estado original.

Los materiales bidireccionales se caracterizan por sufrir un cambio físico al ser estimulados y tienen la capacidad de regresar su estado original por sí mismos mediante un nuevo estímulo (figura 1a).⁴

Estos materiales pueden ser metálicos, cerámicos o polímeros (plásticos, fibras y elastómeros), pero por lo general, los metales y polímeros se pueden imprimir por manufactura aditiva. Dentro de los polímeros imprimibles en 4D se encuentran los materiales conocidos como polímeros con memoria de forma, los hidrogeles y el compuesto activo impreso.

Polímeros con memoria de forma. Los polímeros reversibles, conocidos como “Polímeros con memoria de forma” (PMF), son livianos, con deformación recuperable de hasta un 400 %⁵ y algunos son biocompatibles o biodegradables.

Ejemplos de materiales investigados para aplicaciones en la salud son el poli(ácido láctico) (PLA), la policaprolactona (PCL), el poliéter uretano y el poli (etilenglicol) (PEG). Sus compuestos o derivados se han usado como limpiadores de trombos, suturas quirúrgicas, stents intravasculares, oclusores de aneurismas y en aplicaciones de ingeniería de tejidos.⁶

Estos materiales se usan, principalmente, en aplicaciones biomédicas, pero también se han llegado a utilizar en aplicaciones automotrices, aeroespaciales y otras similares.

Figura 2. Pinzas de PMF con la funcionalidad de agarrar objetos y soltarlos.⁷

Hidrogeles. Los hidrogeles son, regularmente, redes tridimensionales de cadenas poliméricas mediante entrecruzamiento, que pueden ser temporales o permanentes por enlaces covalentes. Estas redes, que tienden a aumentar su volumen al contacto con el agua, por lo general son biocompatibles y útiles para aplicaciones biológicas. Se han realizado impresiones de piezas que imitan a la naturaleza, como el caso de réplicas de hojas que al contacto con la humedad se retraen.⁸

Compuesto activo impreso. Un sistema usado para mejorar el uso de los materiales en 4D es el “Compuesto activo impreso” (CAI), que consiste en un sistema conformado por dos capas, una de fibra PMF y otra de elastómero, que permite aprovechar la propiedad de modificación de forma de la PMF y la tensión generada por el elastómero, con el fin de regresar a su forma original el material.⁹

Figura 3. Plantilla impresa de un cubo. Al recibir un estímulo se contrae el PMF y se pliegan las caras de la plantilla para ensamblar un cubo.¹⁰

Factores de estimulación. Los principales factores de estimulación en los materiales usados en la impresión 4D son:

Temperatura. El polímero responde a los cambios de temperatura, principalmente a las temperaturas de transición, como la de transición vítrea (t_g) o la temperatura de fusión (T_m). Se puede tener cambio de rigidez, volumen o forma como en el caso del elastómero de cristal líquido, que debajo de cierta temperatura se retrae y por encima de esta se expande debido al reacomodo molecular de sus cadenas poliméricas.

Química. Son materiales que, al estar en contacto con sustancias químicas de ciertas características, como pH, fuerza iónica o tipo de molécula, tienen cambios físicos; por ejemplo, los hidrogeles al contacto con el agua.

Luz. Los polímeros fotosensibles son estimulados a cierta longitud de onda y pueden modificar su rigidez o hasta su opacidad.

Métodos de impresión. Existen dos métodos principales para impresión de materiales 4D y uno es la impresora PolyJet, similar a una impresora de inyección de tinta regular, con la diferencia de que en lugar de depositar tinta sobre papel, deposita capa sobre capa de material de fotopolímero en un soporte.

El material de fotopolímero es un polímero que al ser irradiado por rayos UV se cura o endurece. Por otro lado, la impresión por estereolitografía consiste en un contenedor con resina fotocurable, que al contacto de un láser de luz UV se solidifica con la forma de la pieza deseada.⁴

El sistema de impresión 4D puede tener la capacidad de imprimir piezas individuales que pueden autoensamblarse en estructuras más grandes, como antenas espaciales y satélites. Pueden sustituir sistemas electromecánicos en dispositivos que necesitan ser ligeros y usarse dispositivos médicos en piezas autoadaptativas como los tallos traqueales e, inclusive, tener la capacidad de autorrepararse, como el caso de hidrogeles autorregenerables. 

En la actualidad, la impresión 4D sigue en desarrollo y tiene algunos productos en el mercado, principalmente en áreas de la biomédica y sus avances se aplican cada vez más en áreas de la industria.

Se necesita mejorar los tiempos que tarda en responder el material a los estímulos, así como controlar mejor la fuerza ejercida por el mismo material; aun así, se espera tener una gran gama de aplicaciones en un corto tiempo.¹¹

Referencias

1. Tibbits S., 4D Printing: Multi material shape change, Architectural Design, vol. 84,116-121, 2014.
2. Momeni F., Hassani S. M., Liu X. and Ni J., A review of 4D printing, Materials and Design, vol. 1, 1-55, 2017.
3. Pei E., 4D Printing: dawn of an emerging technology cycle, Assembly Automation, vol. 34, no. 4, 310-314, 2014.
4. Lee A.Y., An J. and Chua C.K., Two-Way 4D Printing: A Review on the Reversibility of 3D-Printed Shape Memory Materials, Engineering, vol. 3, 663–674, 2017.
5. Ornat C.C., Yang Y., Urban M.W., Quantitative predictions of shape-memory effects in polymers, Advanced Materials, vol. 29,7, 2017.
6. Gladman, A.S., Garcia L., Sauer B., Emerging polymeric materials in additive manufacturing for use in biomedical applications. AIMS Bioeng. vol. 6, 1–20, 2019.
7. Zarek M., Layani M., Cooperstain I., Sachyami E. and Cohn D., 3D printing of shape memory polymers for flexible electronic devices, Advanced materials, vol. 28, no. 22, 4449-4454, 2016.
8. Gladman S. A., Matsumoto E. A., Nuzzo R. G., Mahadevan L. and. Lewis J. A., Biomimetic 4D printing, Natural Material, vol. 15, no. 4, 413-418, 2016.
9. Ge Q, Dunn C.K., Qi H.J., Dunn M.L., Active origami by 4D printing, Smart Material Structure, vol 23, no. 9, 2014
10. Mutlu R. and Alici G., Effect of flexure hinge type on a 3D printed fully compliant prosthetic finger, in IEEE International conference on advanced intelligent mechatronics, AIM, 2015.
11. Saleh A. S., John S., Roy C. N., Dutta N.K., Additive Manufacturing of Polymer Materials: Progress, Promise and Challenges, Polymers, vol.13, 753, 2021.