Révolutionner l'ingénierie biomédicale : impression 4D de matériaux électromécaniques intelligents

L'Université Carlos III de Madrid (UC3M), Espagne. Une nouvelle imprimante intelligente permet la fabrication de matériaux souples multifonctionnels en adaptant continuellement les paramètres d'extrusion. Combinant méthodes expérimentales et computationnelles, elle imprime des matériaux conducteurs et magnéto-actifs aux propriétés mécaniques imitant les tissus biologiques. (Image : UC3M)

Imprimante 4D pour le biomédical

Des chercheurs de l'UC3M ont créé logiciel et matériel pour une imprimante 4D avec applications biomédicales. Au-delà de l'impression 3D, cette machine contrôle des fonctions supplémentaires : programmer la réponse du matériau pour que le changement de forme se produise sous champ magnétique externe, ou que ses propriétés électriques changent sous déformation mécanique.

Structures souples multifonctionnelles imitant les tissus

Cette ligne de recherche se concentre sur le développement de structures souples multifonctionnelles, composées de matériaux aux propriétés mécaniques imitant les tissus biologiques (cerveau, peau). Elles peuvent changer de forme ou propriétés sous stimuli externes (champs magnétiques, courants électriques).

Nouvelle méthodologie d'impression 4D

Jusqu'ici, l'équipe avait fait plusieurs avancées dans la conception et fabrication de ces structures, mais limitées en design de forme et programmation de réponses intelligentes. Leur dernière étude, publiée dans Advanced Materials Technologies, ouvre de nouvelles possibilités avec une nouvelle méthodologie d'impression 4D.

« Cette technologie nous permet non seulement de contrôler la façon d'imprimer des structures 3D, mais aussi de leur donner la capacité de changer leurs propriétés ou géométrie en réponse à des champs magnétiques externes, ou de modifier leurs propriétés électriques quand elles se déforment », explique Daniel García González, chef du projet ERC 4D-BIOMAP (GA 947723) et professeur associé au département de mécanique des milieux continus et théorie des structures de l'UC3M.

Complexité du procédé et approche interdisciplinaire

Ce type d'impression est complexe car le matériau passe du liquide au solide pendant l'impression. Il faut comprendre la dynamique du matériau pour adapter le procédé et obtenir un matériau assez liquide pour s'écouler dans la buse mais assez solide pour maintenir une forme spécifique. À cette fin, ils ont développé une méthodologie interdisciplinaire combinant techniques théoriques et expérimentales pour construire l'imprimante de zéro, matériel et logiciel.

Matériau auto-cicatrisant et trois types de matériaux fonctionnels

Les chercheurs ont aussi développé un nouveau concept de matériau capable de s'auto-cicatriser sans action externe. « Ce matériau consiste en une matrice polymère souple incorporant des particules magnétiques à champ rémanent. Pour faire simple, c'est comme si nous avions de petits aimants distribués dans le matériau, de sorte que, s'il se casse, quand les parties résultantes sont rapprochées, elles se rejoignent physiquement en récupérant leur intégrité structurelle », dit González.

Grâce à ces avancées, l'équipe a pu imprimer trois types de matériaux fonctionnels : certains changent forme/propriétés sous champ magnétique externe ; d'autres ont une capacité d'auto-cicatrisation ; d'autres voient leurs propriétés électriques (conductivité) varier selon leur forme ou déformation.

Perspectives : capteurs et robots souples

La combinaison de matériaux auto-cicatrisants et dont la conduction électrique varie avec la déformation ouvre d'énormes possibilités pour le développement de capteurs et robots souples.

Pour plus d'informations, contacter Fco. Javier Alonso à l'adresse protégée ; 916-249-035.