Напечатанные на 3D-принтере объекты научат мутировать и расти

Коллектив химиков из Массачусетского технологического института и Питтсбургского университета, США, создал технологию для синтеза и модификации полимерных материалов «изнутри», путем добавления новых звеньев в середину уже существующих полимерных цепей. Новый метод позволит, к примеру, изменять свойства напечатанных на 3D-принтерах изделий: контролировать их механическую прочность, размер, а также делать их восприимчивыми или невосприимчивыми к изменению температуры. Исследование опубликовано в ACS Central Science.
Многие современные полимерные материалы изготавливаются путем фотополимеризации: жидкий состав помещается в определенную форму и твердеет под действием света. Это происходит из-за того, что мономеры, содеращиеся в жидком растворе или расплаве, соединяются между собой в полимерные цепочки, а затем — в сети, что обеспечивает прочность полученной конструкции. Несмотря на проработанность этих методик, все они обладают общим недостатком: по окончании синтеза материал практически невозможно изменить, то есть удлиннить цепочки, ввести в них мономеры с другими свойствами или даже «бесшовно» соединить два образца. Это происходит потому, что после синтеза полимерные цепи оказываются «мертвыми» — неспособными к наращиванию новых мономеров. В новой работе ученые из США создали метод «живой сборки», направленный на решение этой проблемы.
Авторы синтезировали гели, вводя в их состав особую функциональную группу — тритиокарбонат (trithiocarbonate, TTC), который помещался в середине цепи. Под действием катализатора в этом месте удалось создать контролируемый разрыв и нарастить новые мономеры с обоих концов разорванной цепочки, после чего цепи вновь соединялись, таким образом сохраняя целостность полимерной сетки. Одной из главных особенностей этого метода стало использование катализатора, который работает только при облучении его светом с определенной длиной волны, благодаря чему весь процесс наращивания можно начать и остановить в любой момент.

В качестве теста новой системы ученые использовали несколько разных типов мономеров. В одном случае цепи просто удлиняли, не изменяя их функциональных свойств. Тем не менее, такая модификация отразилась на характеристиках всего материала: он увеличился в размерах, а также стал более мягким. В другом случае авторы добавили особые мономеры, которые при нагревании до определенной температуры резко сворачивались из рыхлого клубка в плотную глобулу, занимая значительно меньше места. Весь материал, модифицированный таким образом, становился восприимчивым к температурному контролю.

По словам авторов исследования, одной из основных целей их работы были технологии производства полимерных материалов, в том числе 3D-печать, для которой возможность модификации уже готовых объектов и бесшовное сращивание нескольких деталей позволяет преодолеть существующие ограничения. На данном этапе технология остается больше пригодной для лабораторных условий — использованный фотокатализатор работает только в бескислородной среде. Однако авторы уверены, что в подбор другого катализатора не станет большим препятствием.

Предыдущие попытки создания модифицируемых полимерных цепей и сеток были 

 той же группой авторов, однако они использовали другой механизм. Ученым тогда также удалось добиться определенного контроля над синтезом и наращиванием их системы, однако в процессе образовывались неустойчивые радикалы, которые могли локально разрушать структуру сети, что значительно ухудшало свойства всего образца. В новой работе эту проблему удалось решить за счет более стабильного механизма полимеризации, благодаря чему структура полимерной сетки остается нетронутой даже после нескольких стадий модификации.