刺激响应水凝胶软机器人的四维打印

摘要

这份手稿描述了一种4D打印策略，用于制造智能刺激响应软机器人。这种方法可以为促进智能形状可变形软机器人系统的实现提供基础，包括智能机械手、电子和医疗保健系统。

摘要

本协议描述了使用三维（3D）生物打印方法创建四维（4D），时间依赖性，形状可变，刺激响应软机器人。最近，4D打印技术被广泛提出作为开发形状可变形软机器人的创新新方法。特别是，4D随时间变化的形状转换是软机器人中的一个重要因素，因为它允许在由外部线索（如热，pH和光）触发时在正确的时间和地点发生有效的功能。根据这一观点，可以打印刺激响应材料，包括水凝胶、聚合物和杂化材料，以实现智能形状可变形的软机器人系统。目前的协议可用于制造由 N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）基水凝胶组成的热响应软夹具，整体尺寸从毫米到厘米不等。预计本研究将为智能机械手（如抓手、执行器和拾取和放置机）、医疗保健系统（如药物胶囊、活检工具和显微手术）和电子（如可穿戴传感器和流体）等各种应用的智能软机器人系统提供新的方向。

引言

从技术和智力的角度来看，刺激响应软机器人的开发都很重要。术语刺激响应软机器人通常是指由水凝胶、聚合物、弹性体或混合体组成的设备/系统，这些设备/系统响应外部线索（如热量、pH 值和光）而表现出形状变化¹，²，^3，4。在众多刺激响应软机器人中，基于N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）水凝胶的软机器人使用自发^{形状转换5}，⁶，^7，8执行所需的任务或相互作用。通常，基于NIPAM的水凝胶表现出低临界溶液温度（LCST），并且在32°C和36^°C之间的生理温度附近的水凝胶系统内发生溶胀（亲水性低于LCST）和脱胀（疏水性高于LCST）性能变化9^，10。LCST尖锐临界过渡点附近的这种可逆溶胀机制可以产生基于NIPAM的水凝胶^{软机器人2}的形状转变。因此，基于热响应NIPAM的水凝胶软机器人具有改进的操作，例如行走，抓取，爬行和传感，这在多功能机械手，医疗保健系统和智能传感器中非常重要²，³，⁴，¹¹，12，13，14，15，^16，17， 18，^19，20，21.

在制造刺激响应软机器人时，三维（3D）打印方法已广泛使用，使用直接逐层加法工艺²²。各种材料，如塑料和软水凝胶，可以用3D打印^23，24打印。最近，4D打印被广泛强调为一种用于创建形状可编程软机器人^{25，26，27，28}的创新技术。这种4D打印基于3D打印，4D打印的关键特征是3D结构可以随着时间的推移改变其形状和属性。4D打印和刺激响应水凝胶的结合提供了另一种创新途径，以创建智能3D设备，当暴露于适当的外部刺激触发器（如热，pH，光以及磁场和电场）时，这些设备会随着时间的推移而改变形状²⁵，²⁶，^27，28.这种使用各种刺激响应水凝胶的4D打印技术的发展为形状可变形的软机器人的出现提供了机会，这些机器人具有更高的响应速度和反馈灵敏度，可以显示多功能性。

本研究描述了3D打印驱动的热响应软夹持器的创建，该夹具显示形状转换和运动。值得注意的是，所描述的特定程序可用于制造各种多功能软机器人，其整体尺寸范围从毫米到厘米长度尺度。最后，预计该协议可以应用于多个领域，包括软机器人（例如，智能执行器和运动机器人），柔性电子（例如，光电传感器和芯片实验室）和医疗保健系统（例如，药物输送胶囊，活检工具和手术设备）。

方案

刺激响应软夹具由三种不同类型的水凝胶组成:非刺激响应丙烯酰胺（AAm）基水凝胶，热响应N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）基水凝胶和 磁性响应铁凝胶（图1）。这三种水凝胶油墨是通过修改先前发表的方法^29、30、31制备的。本研究中提供的数据可应通讯作者的要求获得。

1. 水凝胶油墨的制备

1. 非刺激响应性AAm水凝胶油墨（图1A）
   1. 使用磁力搅拌器将丙烯酰胺（AAm），交联剂N，N'-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）（见材料表）和光引发剂2-羟基-4'-（2-羟基乙氧基）-2-甲基苯丙酮（见材料表）在蒸馏（DI）水中稀释24小时。
   2. 以1，150rpm涡旋剪切稀化剂，拉蓬石RD纳米粘土和荧光素O-甲基丙烯酸酯染料（见 材料表）至少6小时，直到它们完全稀释。
   3. 每总共 20 mL 溶液基质制备比重的 AAm 基水凝胶墨水:1.576 g AAm、0.332 g BIS、1.328 g laponite RD、0.166 g 光引发剂、0.1 mg NaOH、0.1 mg 荧光素 O-甲基丙烯酸酯（参见 材料表）和 16.594 g 去离子水。
   4. 完全稀释后，使用注射器将基于AAm的水凝胶墨水转移到空的3D打印墨盒中（参见 材料表）。
2. 基于刺激响应的NIPAM水凝胶油墨（图1B）
   1. 使用磁力搅拌器在去离子水中稀释N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM），聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）和光引发剂（见材料表）24小时。
   2. 以1，150rpm涡旋剪切稀化剂，拉蓬石RD纳米粘土和荧光素罗丹明6G染料至少6小时，直到它们完全稀释。
   3. 每总共 20 mL 溶液碱制备比重的基于 NIPAM 的水凝胶墨水:1.692 g NIPAM、0.02 g pNIPAM、1.354 g laponite RD、0.034 g 光引发剂、0.1 mg 罗丹明 6G（见 材料表）和 16.92 g 去离子水。
   4. 完全稀释后，使用注射器将基于NIPAM的水凝胶墨水转移到空的3D打印墨盒中。
3. 铁凝胶油墨（图1C）
   1. 制备A溶液:在去离子水中制备稀丙烯酰胺（AAm）和交联剂N，N'-亚甲基双丙烯酰胺（BIS），氧化铁（Fe₂O₃）和N，N，N'，N'-四甲基乙二胺（TMEDA）（见材料表）。
   2. 考虑材料的比重百分比 （wt%）:在 1.2 mL 去离子水中加入 10 μL TMEDA 加速器中的 71% AAm、3.5% BIS 和 25.5% Fe₂O₃ 。
   3. 制备 B溶液:在10mL去离子水中稀释0.8g过硫酸铵（APS，见 材料表）。
   4. 对于聚合，将 200 μL A 溶液和 5 μL B 溶液转移到微量离心管中。
   5. 涡旋微量离心管20秒。

2. 软混合夹具设计的优化

注意:椭圆软混合夹持器由基于AAm的水凝胶外层，基于NIPAM的水凝胶内层和铁凝胶上层组成（图1D）。整个椭圆软混合夹持器是使用 AutoCAD 软件创建的（请参见 材料表）。

1. 二维基于AAm的水凝胶层设计
   1. 绘制一个椭圆形，在最外层的垂直轴为 24 毫米，水平轴为 20 毫米。
   2. 绘制另一个椭圆形状，垂直轴为 20.8 mm，水平轴为 16.8 mm，中心点与步骤 2.1.1 中绘制的形状相同。
   3. 绘制一个三点弧，穿过远离椭圆中心点的点 （−8.24， 2）、（0， 6） 和 （8.24， 2）。
   4. 修剪日食的小上部除以弧线。
2. 基于NIPAM的二维水凝胶层设计
   1. 绘制一个垂直轴为 20.2 毫米，水平轴为 16.4 毫米的椭圆，其中心点与步骤 2.1.1 中绘制的形状相同。
   2. 绘制一个垂直轴为 16.16 mm 和水平轴为 13.12 mm 的椭圆，其中心点与步骤 2.1.1 中绘制的形状相同。
   3. 绘制一个三点弧，穿过远离椭圆中心点的点 （−7.86， 1.83）、（0， 5.6） 和 （7.86， 1.83）。
   4. 绘制一个三点弧，穿过远离椭圆中心点的点 （−5.47， 1.64）、（0， 3.18） 和 （5.47， 1.64）。
   5. 修剪椭圆的小上部除以圆弧。
   6. 要制作基座，请绘制一个弧，其中距离 （−4.75， −2.71） 处的中心点两个点和 （4.75， −2.71） 处的两个点作为端点，距离中心点 （0， -4.59） 一个点。
3. 二维铁凝胶层设计
   1. 绘制一条三点弧，穿过远离椭圆中心点的点 （−7， 4.92）、（0， 9.2） 和 （7， 4.92）。
   2. 绘制一个三点弧，穿过远离椭圆中心点的点 （−7， 4.92）、（0， 7.6） 和 （7， 4.92）。
4. 二维夹持器尖端设计
   1. 要使抓手的抓取部分，请从椭圆底部的中心线从每侧切割 0.8 毫米。
5. 三维混合夹持器设计
   1. 要将整个2D混合夹持器设计转换为3D，请将响应凝胶的基座挤出0.8 mm，并将无响应凝胶，响应凝胶的切割椭圆形和铁凝胶挤出2.5 mm。

3.软混合夹具的三维打印

1. 使用 Slic3r 软件（参见材料表）为步骤 2 中创建的每个结构生成^{G 代码 30}，层高为 0.4 mm，打印速度为 10 ^mms−1，填充密度为 75%。使用双打印头编辑 G 代码文件。
2. 将G代码文件保存在安全数字（SD）卡上，并将其连接到3D打印机（请参阅 材料表）以生成软夹持器的打印路径。
3. 将气泵压力控制连接到 3D 打印机。
4. 为NIPAM基水凝胶和AAm水凝胶分别选择直径为0.25 mm和0.41 mm的喷嘴尖端。
5. 将基于 AAm 的水凝胶盒连接到喷嘴 1，将基于 NIPAM 的水凝胶盒连接到喷嘴 2。
6. 检查墨盒的两个打印头是否在z轴上的相同位置。
7. 精确校准 X 和 Y 坐标，以避免两个喷嘴之间的错位。
8. 将AAm基水凝胶的打印压力设置为20-25 KPa，将NIPAM基水凝胶的打印压力设置为10-15 KPa。
9. 当每个样品完全打印时，重复步骤3.5-3.8（图2A）。

4. 软混合夹具的UV光固化

1. 在UV光固化之前，使用注射器将磁场响应铁凝胶油墨（在步骤1.3中制备）注入3D打印软夹具的目标薄孔区域。
2. 注射铁凝胶后，将夹持器结构置于波长为365nm的紫外源室内6分钟。将紫外线的强度固定在 4.9 mJ/s。
3. 紫外光固化后，将夹具结构转移到去离子水浴中至少24小时，直到达到完全膨胀的平衡状态（图2B-D）。

结果

在设计热响应软夹具时主要考虑基于NIPAM的水凝胶，因为它具有锋利的LCST，这使其表现出显着的溶^{胀性能9，10}。此外，基于AAm的水凝胶被认为是一种非刺激响应系统，以最大限度地提高软混合夹具的形状转换，同时减少多次加热和冷却过程中界面的分层。此外，铁凝胶被集成到该混合系统中，以创建磁场响应的软混合夹具，用于磁场驱动的运动的不受束缚的控制。特别是，铁凝胶墨水注射必须在聚合之前进行，以避免与基于NIPAM的水凝胶结构分离。

主要考虑热响应打开和关闭的驱动来确定混合夹具的最佳几何形状。最初，通过测量从室温到60°C的直径变化来评估基于NIPAM和AAm的水凝胶的溶胀和溶胀。 基于这种溶胀力验证，将AAm基水凝胶放置在结构层的外部，将NIPAM基水凝胶放置在响应层内。这项工作验证了几种不同结构的混合夹持器（如圆形和椭圆几何形状）的抓取功能。具体来说，选择了一个整体椭圆形，内部有一个基于NIPAM的扁平板，以增加膨胀 - 膨胀能力，使设备能够很好地抓握并安全地固定目标，而不...

讨论

在软混合夹持器的材料选择方面，首先制备了由非刺激响应AAm基水凝胶、热响应NIPAM基水凝胶和磁响应铁凝胶组成的多响应材料体系，使软混合夹持器表现出可编程的运动和形状转换。由于其热响应溶胀-溶胀特性，基于NIPAM的水凝胶在用具有不同溶胀特性的水凝胶（例如AAm基水凝胶1）制造为双层或双条结构时表现出弯曲，折叠或起^皱。此外，水凝胶可以通过嵌入氧化铁（Fe₂O₃）纳米颗粒来设计为具有磁响应。重要的是，这种Fe₂O₃掺入的丙烯酰胺基铁凝胶可以在实现磁响应性方面发挥重要作用，以促进软机器人磁场驱动的运动。特别是，磁响应水凝胶已被提议用于基于无束缚水凝胶的软机器人系统，这将在动态杂乱的环境中提供侵入性较小的方法³²。

重要的是，软混合夹持器需要在三种水凝胶之间具有良好的附着力。当附着力差时，水凝胶之间的界面会在反复溶胀和脱胀过程中分层，以响应外部触发。特别是，引入了丙烯酰胺基水凝胶，以确保在软混合夹持器的重...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
2-羟基-4'-（2-羟基乙氧基）-2-甲基苯丙酮	Sigma Aldrich	410896-50G	Irgacure 2959，光引发剂
3D WOX 2X	sindoh	n/a	3D 打印机，用于制造迷宫
丙烯酰胺	Sigma-Aldrich	29-007	≥99%
喷枪压缩机	WilTec	AF18-2
过硫酸铵	Sigma Aldrich	A4418
Auto CAD	Autodesk	n/a	计算机辅助设计文件
BLX UV 交联剂	BIO-LINK	U01-133-565
墨盒	CELLINK	CSC010300102
数字搅拌热板	康宁	6798-420D
荧光素 O-甲基丙烯酸酯	Sigma Aldrich	568864	AAm 凝胶染料
INKREDIBLE+ 生物打印机	CELLINK	n/a
氧化铁 （III） 红	DUKSAN 一般科学	I0231
Laponite RD	BYK	n/a	纳米粘土
微量离心管	SPL	60615
微量搅拌棒	Cowie	27-00360-08
N、N、N'、N'-四甲基乙二胺	Sigma Aldrich	T7024-100ML
N、N'-亚甲基双丙烯酰胺	Sigma Aldrich	M7279	≥99.5%
N-异丙基丙基丙烯酸酯	Sigma-Aldrich	415324-50G
聚（N-异丙基丙烯酰胺）	Sigma-Aldrich	535311
罗丹明 6G	Sigma Aldrich	R4127	NIPAM凝胶染料
Slic3r 软件 （v1.2.9）	Slic3r	n/a	开源软件，用于将 .stl 文件转换为 gcode
氢氧化钠珠	Sigma Aldrich	S5881
无菌高精度锥形生物打印喷嘴	CELLINK	NZ3270005001	22 G、25 G
注射器	疫苗	K07415389	10 CC 21 G（1-1/4 英寸）
涡旋混合器	DAIHAN	DH。