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[이슈]하버드 연구팀, 패브릭용 스마트 3D 프린팅 프로그램 개발

[글로벌메이커스 정신영 기자] 하버드 대학의 엔지니어링 및 응용 과학부 존 A. 폴슨 연구팀은 현지 시각 8월, 3차원 인쇄가 가능한 새로운 소재를 개발했다고 발표했다. 복잡한 형상으로 가역적 형상 기억에 미리 프로그램, 생명 공학 및 스마트 직물의 잠재적인 응용 프로그램을 통해 복잡한 기하학적 변형을 가진 새로운 영역이다.

새로운 연구는 폐기물 케라틴에서 3D 프린팅 된 생체 적합성 및 계층 구조화 된 형상 기억 재료의 제조를 위한 디자인으로 진행됐다. 계층적으로 구조화 된 형상 기억재료 라는 것이 연구원들의 설명이다. 3D 프린팅 된 물체가 원래 모양을 복구하는 능력을 가진다는 것.

또한 적층 제조 플랫폼을 통한 새로운 재료의 가공성은 마이크로 미터 범위의 구조적 특징을 가진 복잡한 아키텍처의 생산을 가능케 하며, 광범위한 생명 공학 응용 분야에 적합한 재료를 만들어 낼 예정이다.

케라틴은 자연에 풍부하게 분포 된 다목적 생체 활성 중합체다. 농업에서 생물 의학 공학에 이르기까지 많은 고급 응용 분야에 매우 다양하게 활용된다. 포유류, 새, 파충류와 같은 고등 척추 동물의 머리카락, 손톱, 깃털, 양모, 발굽, 비늘 및 뿔에서 발견되는 표피의 주요 구성 요소이며, 인간 상피 조직의 주요 구성 요소이기도 하다.

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사진= Harvard University의 John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences


각질 고유의 형태 변화 능력의 핵심은 계층적 구조다. 연구에서는 단일 케라틴 사슬이 알파 나선으로 알려진 스프링과 같은 구조로 배열됐다. 이 체인 중 두 개는 함께 꼬여서 코일 코일이라는 구조를 형성한다. 이러한 코일 코일의 대부분은 원형 필라멘트와 결국 큰 섬유로 조립되는데, 알파 나선과 결합 화학 결합의 조직이 재료에 강도와 형상 기억을 제공한다.

연구원에 따르면 섬유가 늘어나거나 특정 자극에 노출되면 스프링과 같은 구조가 풀리고 결합이 다시 정렬되어 안정적인 베타 시트를 형성한다. 섬유는 원래 모양으로 다시 감길 때까지 그 위치에 남아 있다.

이 과정을 입증하기 위해 연구원들은 케라틴을 잉크로 사용하여 다양한 모양의 3D 인쇄 시트에 과산화수소와 인산 일 나트륨 용액을 사용하여 재료의 영구적 인 모양을 프로그래밍했다. 메모리가 설정되면 시트를 다시 프로그래밍하고 새로운 모양으로 성형 할 수 있게 된다.

3D 프린팅 된 개체는 수분에 반응하는 형상 기억 속성을 가지고 있다. 연구의 일환으로 복잡한 기하학적 변형을 수행하는 데 있어 모양 기억 메커니즘의 효율성을 설명하기 위해, 연구원들은 하나의 케라틴 시트를 복잡한 종이 접기 별 모양으로 접었다.

일단 건조되면 정사각형 시트는 가단성을 잃고 새로운 임시 모양으로 고정됐다. 이 과정을 되돌리기 위해 연구원들은 튜브를 물에 다시 넣었고, 원래 종이 접기 모양을 되찾는 것을 ㅗ학인했다.

이 연구에서 연구자들은 섬유 제조에 사용되는 남은 앙고라 울에서 먼저 케라틴을 추출했다. 그런 다음 Cellink의 BIO X 플랫폼을 사용하여 자료를 인쇄했다. 인쇄하는 동안 물체 구조를 시각화하기 위해 연구진은 Rhodamin B (화합물 및 형광 염료)를 케라틴 도프에 마젠타 색 트레이서로 추가했다.

3D 프린팅 후 3D 프린팅 된 정사각형 시트를 수동으로 접고 과산화수소 기반 솔루션에 새로운 구성을 영구적으로 고정하여 별 모양의 종이 접기 모델을 제작한 방식이다. 이 2 단계 제조 프로세스를 통해 연구원은 3D 프린팅 된 기본 형상을 조정하여 더 높은 수준의 복잡성을 가진 영구 아키텍처를 달성했다.

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사진= Harvard University의 John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences


새로운 연구를 기반으로 이 소재는 스마트 섬유 산업에서 사용할 수 있는 액추에이터 설계에 적합한 엔지니어링 소재가 될 것으로 기대된다. 재료의 생체 적합성 및 신체 친화성은 변형 반응 및 신체 적응 의류를 엔지니어링하는 데 사용되는 오일 기반 폴리머를 대체할 수 있을 전망이다.

실제 다양한 회사들이 향후 새로운 잠재적 비즈니스 모델로, 스마트 의류를 만들어 의류 직물에 기술을 도입하려고 시도했다. 게다가 이 연구는 패션 산업에서 폐기물을 줄이기 위한 무수한 시도를 해결할 수도 있다.

기존 소재들은 일반적으로 가금류 농장, 도축장 및 가죽 산업에서 폐기 된 후 버려지거나, 묻히거나, 소각되기 때문에 환경오염 물질로 간주된다. 따라서 케라틴 폐기물은 물리적으로나 생물학적으로 치명적으로 오염된 지구를 지키는데 지속 가능한 솔루션으로 제공될 수 있다.

3D 프린팅 산업을위한 신소재의 발전은 특히 토목 공학, 항공 우주, 웨어러블 기술 및 의료 기기 분야에서 형상 기억 장치에 대한 수요가 급증하면서 지난 5년 동안 급증했다. 3D 프린팅 기술을 통한 특정 신소재의 생체 적합성과 가공성은 가능성이 높은 것으로 점쳐지는 것 만큼, 이상적인 제품 생산 가능성을 보여주고 있다.

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