الاستومرهای معمولی یا به عبارتی لاستیکها به دلیل اندازه و شکل پلیمرهای تشکیل دهندهی آنها، از بسیاری از بافتهای بیولوژیکی سختتر هستند. آنها دارای ملکولهای خطی طولانی هستند که به راحتی در هم میپیچند. در مقابل، پلیمرهای با ساختار ‘bottlebrush’ به واسطهی داشتن رشتههای پلیمری اضافه روی زنجیرهی اصلی خود ساختاری مشابه برس شیشهشو دارند. ساختار ‘bottlebrush’ این پلیمرها توانایی تشکیل الاستومرهای بسیار نرم را ایجاد میکند و دارای کاربرد گستردهای از کنترل دقیق ابعاد ساختارهای پرینت شده زیست تقلید تا دستگاههای الکترونیکی با حساسیت بالا دارند. از مزایای این دسته از پلیمرها میتوان به تنظیم خواص و در نتیجه، کنترل جریان پذیری ماده تحت فشارهای مختلف اشاره کرد. برای مثال ممکن است کاربر بخواهد تا ساختار پلیمری، تحت نوع متفاوتی از استرس مانند لرزش شکل خود را حفظ نماید. این ماده میتواند شکل خود را برای ساعتها حفظ کند که این ویژگی در هنگام پرینت بسیار قابل توجه است.
به واسطهی وجود ملکولهای کوچک آغازگر نوری بین رشتههای پلیمری، پس از پرینت با تاباندن نور ماورابنفش، اتصالات عرضی شکل گرفته و در نتیجه الاستومرهای بسیار نرم را ایجاد میکند. در این مرحله ماده سخت و جامد شده و تحت فشار ساختار آن عوض نمیشود. میزان نرمی یک ماده با اندازهگیری مدول آن مشخص میشود و برای اکثر الاستومرها نسبتا زیاد است به این معنی که سختی و خاصیت ارتجاعی آنها مانند نوار لاستیکی است. نتایج حاکی از آن است که مدول این ماده هزار بار کمتر از نوار لاستیکی بوده و بسیار نرم و کشسان است که مشابه بافت طبیعی بدن انسان است به طوریکه میتواند حدود سه تا چهار برابر طول خود کش بیاید.
نکته حایز اهمیت در این اختراع خود آرایی پلیمرهای ‘bottlebrush’ در مقیاس نانو است که در پاسخ به فشار اعمال شده به آن از حالت جامد به حالت مایع تبدیل میشود. این مواد در دستهی سیالات تنش- تسلیم دستهبندی میشوند. بدین معنا که در ابتدا رفتاری مشابه جامد نیمه نرم دارند که ساختار خود را حفظ میکنند (مانند خمیردندان یا کره) و پس از اعمال فشار مناسب به آن مایع میشوند.
بیش از ۲۰ سال از شناخت پلیمرهای Bottlebrush میگذرد اما در ۱۰ سال گذشته به لطف پیشرفتهای علم شیمی و کنترل روی سایز، شکل و خواص ملکولها کاربردهای این مواد به شدت افزایش یافته است. محققان معتقدند که اگر خواص مکانیکی داربست زیستی به خواص مکانیکی بافت طبیعی بدن در محل پیوند نزدیک باشد التهاب کاهش مییابد. علاوه بر کاهش التهاب و احتمال رد پیوند از دیگر مزیتهای این پلیمر خالص بودن آن است. به طوریکه هیچ آب یا حلال دیگر برای نرم کردن این پلیمر مورد نیاز نیست. همچنین، این ماده میتواند بدون استفاده از حلال پرینت شود که این نیز یک ویژگی منحصر به فرد است. معمولا از حلال برای حل کردن پلیمر جامد استفاده میشود تا بتوان آن را نازل خارج کرد و پس از پرینت مجبور به تبخیر حلال و در نتیجه تغییر شکل ساختار پرینت شده میشود.
A) ساختار شیمیایی و خودآرایی پلیمر PDMS-stat-PEO statistical bottlebrush. B) تصویر شماتیک از پرینت سه بعدی در دمای اتاق بدون نیاز به حلال و حفظ ساختار سه بعدی پس از پرینت.