刺激响应水凝胶软机器人的四维打印
2023年1月13日
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。
所提出的协议有望为实现各种应用的智能、形状可变形、软机器人系统提供新的方向。4D时间依赖性打印工艺可以创建各种刺激响应软机器人，尺寸范围很广，从毫米到厘米。这种4D生物打印技术可以扩展到医疗保健工程中的靶向药物输送，显微手术和微创活检。
纯文本信息可能会给读者带来歧义，因此视觉演示对于帮助实现预期结果至关重要。为了制备非刺激响应性丙烯酰胺基水凝胶油墨，请使用磁力搅拌器在去离子水中稀释丙烯酰胺、交联剂和光引发剂 24 小时。为了制备刺激响应的N-异丙基丙烯酰胺类水凝胶油墨，将稀释的N-异丙基丙烯酰胺、丙基N-异丙基丙烯酰胺和光引发剂，在去离子水中，使用磁力搅拌器24小时。
然后将染料加入丙烯酰胺凝胶和N-异丙基丙烯酰胺凝胶中，并以每分钟1150转或至少六小时的速度涡旋剪切剂Laponite RD，直到它们完全稀释。然后按照文本中提供的说明制备水凝胶墨水。为了制备铁凝胶油墨，首先，根据文中描述的方案制备A溶液和B溶液。
要进行聚合，将200微升A溶液和5微升B溶液转移到微量离心管中，并将混合物涡旋20秒。使用切片器软件，为先前通过优化夹具设计创建的每个结构生成G代码。指定 0.4 毫米的图层高度。
填充密度为75%，打印速度为每秒10毫米。使用双打印头编辑 G 代码文件。将 G 代码文件保存在安全的数字或 SD 卡上，然后再将其连接到 3D 打印机。
将丙烯酰胺基和N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶墨盒连接到相应的喷嘴后，检查墨盒的两个打印头是否在Z轴上的相同位置。然后精确校准 X 和 Y 坐标，以避免两个喷嘴之间的错位。现在，将丙烯酰胺基水凝胶的打印压力设置为20至25千帕，将N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶的印刷压力设置为10至15千帕。
在每个样品完全打印后重复这些步骤，以打印下一个样品。在UV光固化之前，使用注射器将磁场响应铁凝胶油墨注入3D打印软夹具的目标薄孔区域。注射铁凝胶后，将夹持器结构置于波长为365纳米的紫外源室内六分钟。
紫外光固化后，将夹持器结构转移到去离子水浴中，至少24小时，直到其达到完全膨胀的平衡状态。软混合夹持器通过热响应驱动和磁力运动执行拾取和放置任务。当温度升高到低于临界溶液温度或LCST以上时，N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶脱胀并收缩，关闭夹持器尖端。
相反，当温度降至LCST以下时，由于N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶的膨胀，夹持器尖端打开。夹持器还演示了在充满去离子水的3D打印样品迷宫内的拾取和放置任务。夹持器处于尖端打开状态，由外部磁铁从其起始位置引导至目标鲑鱼卵。
当温度达到40摄氏度时，夹具的尖端关闭以夹住鲑鱼子。夹持鲑鱼子时被引导出迷宫，在25摄氏度的室温下，它成功地将完整的鲑鱼子以尖端打开状态释放到目标区域。在校准两个喷嘴之间的坐标点时，必须小心实验。
这个过程需要大量的练习。该特定协议为实现精确可控、高灵敏度和多功能智能刺激响应软机器人的进一步重大进展奠定了基础。
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概述
本稿描述了一种用于制造智能响应刺激的软体机器人的4D打印策略。这种方法可以为实现智能形状可变的软体机器人系统提供基础，包括智能操纵器、电子设备和医疗保健系统。
关键研究组成部分
科学领域
- 软体机器人
- 4D打印技术
- 生物医学工程
背景
- 4D打印允许创建可以随时间改变形状的材料。
- 响应刺激的材料可以对环境变化做出反应。
- 软体机器人在多个领域有应用，包括医疗保健。
- 视觉演示增强了对复杂过程的理解。
研究目的
- 开发一种创建智能、形状可变的软体机器人的方法。
- 探索在靶向药物输送和微手术中的应用。
- 提供准备4D打印水凝胶墨水的协议。
使用的方法
- 制备非响应刺激的丙烯酰胺基水凝胶墨水。
- 制备响应刺激的N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶墨水。
- 使用磁力搅拌器进行墨水制备。
- 实施时间依赖的4D打印过程。
主要结果
- 4D打印过程可以创建多样化的响应刺激的软体机器人。
- 机器人可以在毫米到厘米的广泛尺寸范围内制造。
- 该技术适用于医疗保健工程挑战。
- 视觉辅助对于有效传达复杂信息至关重要。
结论
- 本研究为未来的软体机器人系统奠定了基础。
- 4D打印可以显著推进医疗保健应用。
- 需要进一步的研究来优化材料和过程。
常见问题解答
Executive Industry Relevance
Four-dimensional (4D) printing of stimuli-responsive hydrogel-based soft robots introduces programmable, time-dependent actuation into biopharma R&D workflows. This capability enables the creation of adaptive, shape-changing systems that respond to environmental cues, supporting advanced manipulation and delivery tasks in preclinical and translational research. The approach offers strategic value for developing next-generation smart manipulators and minimally invasive tools relevant to drug delivery and microsurgery innovation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables programmable actuation for hypothesis-driven manipulation of biological samples.
- Supports functional validation of stimuli-responsive materials in disease-relevant environments.
- Facilitates mechanistic de-risking by demonstrating controlled, reversible shape changes.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible fabrication of soft robotic systems for assay integration.
- Delivers quantitative, externally triggered actuation for reliable compound or sample handling.
- Enables scalable production of manipulators for high-throughput screening platforms.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with translational biomarker strategies by enabling minimally invasive manipulation in model systems.
- Supports continuity from discovery to preclinical validation through adaptive, responsive device prototypes.
- Reduces risk in advancing smart delivery and biopsy tools toward in vivo evaluation.
Pipeline & Workflow Integration
This 4D printing protocol integrates from early discovery through preclinical model development, enabling programmable soft robotic systems for manipulation, delivery, and actuation tasks.
- Discovery Biology: Advances hypothesis testing by enabling precise, stimuli-triggered manipulation of biological samples.
- Screening: Standardizes actuation and handling for reproducible, quantitative assay workflows.
- Analytics: Provides measurable, reversible shape changes for comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Bridges discovery and preclinical work by enabling minimally invasive, adaptive device prototypes.
- Enterprise Reuse: Establishes a platform for reusable, programmable soft robotic systems across R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in stimuli-responsive device performance and target validation.
- Operational Value: Delivers reproducible, scalable fabrication of programmable soft robots for diverse R&D needs.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions for smart device development and reduces late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of adaptive manipulation and delivery technologies.
Implementation Considerations
- Requires expertise in hydrogel chemistry, 3D/4D printing, and device calibration.
- Demands access to dual-head 3D printers, UV curing systems, and precise environmental control.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of printing and calibration protocols.
- Adaptation across model systems may require optimization of hydrogel formulations and actuation parameters.
- Careful calibration of print heads and environmental conditions is critical for reproducibility and device function.
