Vierdimensionaler Druck von stimuli-responsiven Hydrogel-basierten Softrobotern

Es wird erwartet, dass das vorgestellte Protokoll neue Richtungen für die Realisierung intelligenter, formwandelbarer, weicher Robotersysteme für verschiedene Anwendungen aufzeigt. Der zeitabhängige 4D-Druckprozess kann verschiedene stimuli-responsive Softroboter mit einem breiten Größenbereich von Millimetern bis Zentimetern erzeugen. Diese 4D-Bioprinting-Technik kann auf gezielte Medikamentenabgabe, Mikrochirurgie und weniger invasive Biopsie in der Gesundheitstechnik erweitert werden.

Nur-Text-Informationen können Mehrdeutigkeit für die Leser schaffen, daher sind visuelle Demonstrationen unerlässlich, um die beabsichtigten Ergebnisse zu erzielen. Um die nicht stimuli-responsiven Hydrogel-Tinten auf Acrylamidbasis herzustellen, verdünnen Sie das Acrylamid, den Vernetzer und den Photoinitiator in entionisiertem Wasser mit einem Magnetrührer für 24 Stunden. Um die stimulierenden Hydrogeltinten auf N-Isopropylacrylamid-Basis herzustellen, verdünnen Sie N-Isopropylacrylamid, Propyl-N-isopropylacrylamid und den Photoinitiator in entionisiertem Wasser mit einem Magnetrührer für 24 Stunden.

Dann fügen Sie Farbstoff zu Acrylamidgel und N-Isopropylacrylamid-Gel hinzu und wirbeln Sie das Schermittel, Laponite RD, bei 1150 Umdrehungen pro Minute oder mindestens sechs Stunden, bis sie vollständig verdünnt sind. Folgen Sie dann den Anweisungen im Text, um die Hydrogel-Tinte vorzubereiten. Zur Herstellung der Ferrogel-Tinten bereiten Sie zunächst A-Lösung und B-Lösung gemäß dem im Text beschriebenen Protokoll vor.

Um die Polymerisation durchzuführen, werden 200 Mikroliter der A-Lösung und fünf Mikroliter der B-Lösung in ein Mikrozentrifugenröhrchen überführt und die Mischung 20 Sekunden lang gewirbelt. Generieren Sie mit der Slicer-Software einen G-Code für jede Struktur, die zuvor durch Optimierung des Greiferdesigns erstellt wurde. Weisen Sie eine Schichthöhe von 0,4 Millimetern zu.

Eine Fülldichte von 75% und eine Druckgeschwindigkeit von 10 Millimetern pro Sekunde. Bearbeiten Sie die G-Code-Datei mit zwei Druckköpfen. Speichern Sie die G-Code-Datei auf einer sicheren Digital- oder SD-Karte, bevor Sie sie an den 3D-Drucker anschließen.

Nachdem Sie die Hydrogel-Kartuschen auf Acrylamid- und N-Isopropylacrylamid-Basis an die jeweiligen Düsen angeschlossen haben, prüfen Sie, ob sich die beiden Druckköpfe der Kartuschen an der gleichen Position auf der Z-Achse befinden. Kalibrieren Sie dann die X- und Y-Koordinaten genau, um Fehlausrichtungen zwischen den beiden Düsen zu vermeiden. Stellen Sie nun den Druckdruck auf 20 bis 25 Kilopascal für das Hydrogel auf Acrylamidbasis und auf 10 bis 15 Kilopascal für das Hydrogel auf N-Isopropylacrylamidbasis ein.

Wiederholen Sie die Schritte, nachdem jedes Muster vollständig gedruckt wurde, um das nächste zu drucken. Injizieren Sie vor der UV-Photohärtung die Magnetfeld-responsiven Ferrogel-Tinten mit einer Spritze in den anvisierten dünnen Lochbereich des 3D-gedruckten Softgreifers. Nach der Injektion des Ferrogels platzieren Sie die Greiferstruktur für sechs Minuten in einer UV-Quellenkammer mit einer Wellenlänge von 365 Nanometern.

Nach der UV-Photohärtung wird die Greiferstruktur für mindestens 24 Stunden in ein entionisiertes Wasserbad überführt, bis sie einen vollständig geschwollenen Gleichgewichtszustand erreicht. Der Soft-Hybrid-Greifer übernahm eine Pick-and-Place-Aufgabe durch thermisch ansprechende Betätigung und magnetische Fortbewegung. Wenn die Temperatur über die niedrigere kritische Lösungstemperatur (LCST) stieg, quillte das Hydrogel auf N-Isopropylacrylamid-Basis an und schrumpfte, wodurch die Greiferspitze geschlossen wurde.

Im Gegensatz dazu öffnete sich die Greiferspitze, wenn die Temperatur aufgrund des Quellns des Hydrogels auf N-Isopropylacrylamid-Basis unter die LCST sank. Der Greifer demonstrierte auch eine Pick-and-Place-Aufgabe in einem 3D-gedruckten Probenlabyrinth, das mit entionisiertem Wasser gefüllt war. Der Greifer im offenen Spitzenzustand wurde von einem externen Magneten von seiner Ausgangsposition zum Ziellachsrogen geführt.

Als die Temperatur 40 Grad Celsius erreichte, schloss sich die Spitze des Greifers, um den Lachsrogen zu greifen. Der Greifer wurde im Halten des Lachsrogens aus dem Labyrinth geführt und setzte den intakten Lachsrogen im offenen Zustand bei Raumtemperatur von 25 Grad Celsius erfolgreich im Zielbereich frei. Bei der Kalibrierung der Koordinatenpunkte zwischen den beiden Düsen ist experimentelle Vorsicht geboten.

Dieser Prozess erfordert viel Übung. Dieses spezifische Protokoll bildet die Grundlage für weitere signifikante Fortschritte bei der Realisierung präzise steuerbarer, hochempfindlicher und multifunktionaler Smart-Reize-responsiver Softroboter.