Student entdeckt 3D-druckbare Tinte, nach der „alle gesucht haben“, sagt Physikprofessor

Apr 18, 2024

21. April 2023

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von Mary Kate Brogan, Virginia Commonwealth University

Eine 3D-druckbare Tinte zu finden, die Elektrizität leitet und dennoch stark, flexibel und dehnbar ist, war seit Beginn des 3D-Drucks ein Ziel von Materialwissenschaftlern auf der ganzen Welt, sagt Daeha Joung, Ph.D., Assistenzprofessorin am Fachbereich Physik der Universität College of Humanities and Sciences der Virginia Commonwealth University.

Als Andy Shar letztes Jahr in sein Labor kam, um nach einer Lösung zu suchen, war Joung besorgt, gab Shar aber eine Chance. Und er ist dankbar, dass er es getan hat.

„Ich habe selbst versucht, diese Tinte zu finden“, sagte Joung. „Aber irgendwie hat Andy das Rezept entdeckt.“

Die Entdeckung hat Shar, der jetzt im zweiten Jahr Biologie als Hauptfach am College of Humanities and Sciences und Nebenfach Religionswissenschaft an der School of World Studies studiert, neue Möglichkeiten eröffnet. Er hat mit Joung und seinem Forschungsteam im Rahmen des VCU Undergraduate Research Opportunities Program zusammengearbeitet.

Neben Phillip Glass, einem Studenten der Ph.D. Im Rahmen des Nanowissenschafts- und Nanotechnologieprogramms hat Shar zwei wissenschaftliche Arbeiten veröffentlicht, darunter eine in der Zeitschrift Advanced Functional Materials, deren Erstautor er war. Er hat außerdem ein weiteres Buch sowie ein Buchkapitel eingereicht und wurde eingeladen, auf Konferenzen Vorträge über die Entdeckung zu halten.

„Das Material, das wir entdeckt haben, war ein Verbundstoff aus Silikon – Polydimethylsiloxin oder PDMS – und wir haben Kohlenstoffnanoröhren oder CNT in diesem Silikon verteilt, was ziemlich schwierig ist“, sagte Shar. „Wir haben dazu eine ziemlich einfache umweltfreundliche Technik verwendet, die bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann. Da der Herstellungsprozess einfach ist, ist es für andere Menschen und vielleicht sogar Unternehmen zugänglich, die es kommerziell nutzen möchten.“

Joung, Shar und Glass verwenden die 3D-druckbare Tinte weiterhin bei der Entwicklung anpassbarer Geräte zur Überwachung der Patientengesundheit und von elektronischen Haut- oder eSkin-tragbaren Sensoren zur Erkennung von Gelenkbewegungen oder zur Überwachung der Herz- und Atemwegsgesundheit.

„Was Dr. Joung wirklich bahnbrechend gemacht hat, ist die Verwendung des 3D-Drucks zur Herstellung von Gerüsten, die die Architektur des Rückenmarks simulieren können“, sagte Shar. Er und Joung hoffen, dass diese Technologie, angereichert mit biogedruckten Informationen, die das Nachwachsen von Zellen ermöglichen würden, Menschen mit Rückenmarksverletzungen dabei helfen kann, sensorische und motorische Funktionen wiederzuerlangen.

Hier tauschen Schüler und Mentor ihre Gedanken darüber aus, was sie gemeinsam gelernt haben.

Ich fange von vorne an und gehe auf das ein, was mich überhaupt an Dr. Joungs Labor gereizt hat: [meine] bisherigen Erfahrungen mit der High-School-Forschung. Ich habe praktische Dinge schon immer sehr gemocht und Materialwissenschaft und Nanotechnologie waren zwei meiner Hauptinteressen, als ich an die VCU kam. Mir gefiel also, wie er dies mit dem 3D-Druck – etwas, das ich noch nie zuvor gemacht hatte, das ich aber auch gerne nutzen wollte – mit biologischen Anwendungen kombinierte. Ich beabsichtige, in den medizinischen Bereich einzusteigen, das würde also etwas mit meinem zukünftigen Beruf zu tun haben. Das war also definitiv etwas Interessantes.

Bei diesem speziellen Projekt habe ich zunächst mit Phillip Glass, einem Physikstudenten, an seinem Projekt zusammengearbeitet, und es war eine natürliche Weiterentwicklung, weil ich ihm geholfen habe. Ich hatte ein gewisses Interesse an Chemie und dem Herstellungsprozess der Tinte und des Materials. Und während ich ihm half, beschloss ich, meine eigenen Versuche zu machen. Und ich verdanke es Dr. Joung wirklich, dass er mir die Flexibilität und Unabhängigkeit gegeben hat, dies zu tun. Ich experimentierte herum und als ich eine Tinte fand, von der ich dachte, dass sie funktionieren würde, beschlossen wir, dass wir eine Arbeit darüber schreiben könnten, wenn sie einzigartig genug wäre und gewisse Vorteile gegenüber dem hätte, was in der Literatur zu sehen war. Also habe ich dort mehr recherchiert.

Es gab ein paar Dinge, die ich daraus mitgenommen habe. Auf jeden Fall Wissen, etwas über den materialwissenschaftlichen Aspekt lernen, viele Lektionen in Sachen Ausdauer. Es brauchte Dutzende von Versuchen – Dr. Joung hat meine Reihe von Fläschchen mit Hunderten von Fehlversuchen gesehen. Also einfach in der Lage sein, aus den Fehlern der Vergangenheit zu lernen. Und ich gab nicht auf, denn ich wusste, dass ich dem Endergebnis immer näher kam.

Das war wirklich eine Lektion, die ich gelernt habe, und ich denke auch, dass es sich um Teamarbeit handelt. Als Gruppe hielten wir Treffen ab, bei denen wir unsere Ergebnisse präsentierten, damit Sie Kommunikationsfähigkeiten erlernen, wie man mit der Gruppe interagiert, wie man einfach mit verschiedenen (Technologien) arbeitet – wie man das Portal nutzt, wie man den Texturanalysator nutzt, alles andere Maschinen – und dann auch dieses Wissen verbreiten und anderen Leuten, die dem Labor beitreten, beibringen, wie man dieselben Maschinen benutzt.

Und dank des Projekts konnte ich auch auf mehreren Konferenzen Vorträge halten – zum Beispiel auf dem UROP-Symposium, das ich in diesem Frühjahr halten werde, und auf der jährlichen Konferenz des Network for Undergraduate Research in Virginia an der Christopher Newport University , das war im Januar. In der Lage zu sein, unsere Ergebnisse der Öffentlichkeit zu präsentieren und ihr in einer für sie verständlichen Sprache zu erklären, ist definitiv eine Fähigkeit, die ich gelernt habe.

Von Dr. Joung habe ich wirklich gelernt, wie man ein effektiver PI [Hauptermittler] ist. Es geht darum, ein effektives Team zu koordinieren und die Teamarbeit wirklich zu fördern und sicherzustellen, dass alle beteiligt bleiben, dass jeder in einem Tempo vorgeht, das für ihn angenehm ist, aber auch darum, ihn ein wenig zu fordern. Ich erinnere mich, dass Dr. Joung mir geholfen hat, wenn bestimmte Prüfungen nicht so liefen, wie ich es wollte, und mir dann auch bestimmte Fristen gesetzt hat, dafür gesorgt hat, dass ich diese eingehalten habe, und mich einfach ermutigt hat, mein Bestes zu geben.

Ich erinnere mich, dass ich vor allem im Sommer vielleicht 15 bis 20 Stunden pro Woche dort war. Und wir haben wirklich versucht, das Papier zu veröffentlichen. Am Ende war es eine Menge Datenerfassung und viel Schreiben. Und ich verdanke es Dr. Joung, dass er mich und Phillip koordiniert und einfach dafür gesorgt hat, dass wir alles rechtzeitig erledigt haben und dass das Zeitmanagement kein Problem darstellte. Das ist definitiv eine Lektion, die ich von ihm gelernt habe.

Die eSkin-Technologie ist die Zukunft tragbarer Geräte. Was Andy, Phillip und ich herausgefunden haben, ist, dass 3D-druckbare elektronische Häute für Patienten mit Hautkrankheiten nützlich sein können. Oder wir können eines haben, das die Gesundheitsüberwachung durchführt, so dass es sich um ein System handelt, mit dem wir direkt in 3D-Drucker in menschliche Organe drucken können. Wir können tatsächlich neue Therapieoptionen anbieten. [Als Physiker] werde ich diese nicht direkt bei Patienten anwenden. Diese Technologie kann jedoch in Zukunft auf den Operationssaal übertragen werden. Dann können die Patienten den Vorteil haben, diese Technologie zu nutzen. Das ist unser langfristiges Ziel für dieses Projekt.

Nehmen wir an, wir haben ein 3D-druckbares elektronisches Gerät oder ein tragbares flexibles Gerät entwickelt. Jetzt wollen wir eine Verbindung dieser Technologie zum Projekt zur Rückenmarksregeneration herstellen. Bei der Regeneration des Rückenmarks gibt es aufgrund der strukturellen Komplexität immer Probleme, oder? Eine der Therapieoptionen ist daher die Stammzellen- und Elektrostimulationstherapie. Andy trägt dazu bei. Wie Andy bereits erwähnte, bin ich ein Pionier beim Drucken von Stammzellen zur Regeneration von Rückenmarksverletzungen. Jetzt kombiniert Andy diese Stammzellendrucktechnologien und diese flexible Elektronik.

Wir wollen testen, wie diese beiden unterschiedlichen Technologieelemente kombiniert werden können, um eine neue Möglichkeit für die Regeneration des Rückenmarks zu schaffen. Alles hängt irgendwie zusammen. Als Physiker, als Materialwissenschaftler, als Ingenieure ist es unser langfristiges Ziel, neue Therapieoptionen und potenzielle zukünftige Anwendungen für Behandlungen zu entwickeln und bereitzustellen.

Schon bevor Andy dazu kam, habe ich mich mit dem 3D-Druck flexibler Elektronik beschäftigt. Der Punkt ist jedoch, dass jeder Forscher auf der Welt das Problem hat, flexible und leitfähige Tinte zu drucken. Ich glaube, Andy hat etwa vier oder fünf Monate damit verbracht.

Er hat die harte Arbeit geleistet, um die Tinte zu entwickeln, nach der jeder, fast jeder 3D-Druck-Forscher, suchte. Dann erweiterte Phillip, unser Doktorand, die Möglichkeiten der Tinte und wandte sie auf 3D-gedruckte tragbare Geräte an. Aus diesem Grund erscheint ihre Arbeit in einer der führenden Fachzeitschriften für Materialwissenschaften. Wenn wir über diese Arbeit sprechen und ich erwähne, dass der Erstautor dieser Arbeit ein Student im zweiten Jahr ist, sind die Leute erstaunt. Daraufhin haben wir viele Konferenzeinladungen erhalten. Das ist eine erstaunliche Arbeit.

Obwohl Andy ein Student ist, habe ich viele Dinge von ihm gelernt, aber die Hauptsache war, dass ich an mir selbst gezweifelt hatte: „Kann ich einem Bachelor-Studenten ein unabhängiges Projekt geben?“ Im Allgemeinen vergeben viele PIs nicht wirklich unabhängige Projekte an Studenten, aber Andy wollte sehr unabhängig sein. Er betonte mir gegenüber tatsächlich: „Ich kann es schaffen. Ich kann es schaffen.“ Beim ersten Mal war ich etwas skeptisch; Allerdings erkannte ich seine Motivation und gab ihm deshalb unabhängige Projekte. Er hat großartige Arbeit geleistet und ich gebe ihm kontinuierlich sehr unabhängige Projekte.

Die Art und Weise, wie ich Andy ausgebildet habe, ist wie ein Doktorand. Für mich, Andy und die anderen Doktoranden ist unsere Ausbildung für Andy also alle gleich.

Über das von ihm entwickelte Wissen und die Entdeckung der Tinte hinaus ist Andy ein sehr motivierter studentischer Forscher und verfügt daher über ein starkes Verantwortungsbewusstsein. Bei der Forschung geht es nicht nur darum, klug zu sein. Bei der Forschung geht es darum, woher Sie die Motivation nehmen und was Sie begeistert. Andy ist ein Bachelor- und Zweitsemesterstudent, der sich für ein Medizinstudium, insbesondere für MD-Ph.D., bewerben möchte. Programme. Ich spreche Andy große Anerkennung aus – wenn man bedenkt, wie beschäftigt er ist; Allerdings verbringt er immer noch viel Zeit im Labor. Das konnte ich sehen. Ich konnte sehen, dass er so aufgeregt ist und die Zeit im Forschungslabor genießt. Er lächelt immer und hat immer die Energie, sich neuen Herausforderungen zu stellen.

Um auf die Frage zurückzukommen, was ich von Andy gelernt habe: Motivation ist der wichtigste Faktor, um in der Forschung erfolgreich zu sein.

Mehr Informationen: Andy Shar et al., 3D-druckbare einteilige Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elastomer-Tinte für Anwendungen zur Gesundheitsüberwachung, Advanced Functional Materials (2022). DOI: 10.1002/adfm.202211079

Zeitschrifteninformationen:Fortschrittliche Funktionsmaterialien

Zur Verfügung gestellt von der Virginia Commonwealth University