Method Article

Impresión en cuatro dimensiones de robots blandos a base de hidrogel sensibles a estímulos

DOI:

10.3791/64870

⸱

January 13th, 2023

 ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Systems Engineering, Sookmyung Women's University, 2Department of Biological Sciences, Sookmyung Women's University, 3Institute of Advanced Materials and Systems, Sookmyung Women's University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este manuscrito describe una estrategia de impresión 4D para fabricar robots blandos inteligentes sensibles a estímulos. Este enfoque puede proporcionar la base para facilitar la realización de sistemas robóticos blandos inteligentes transformables en forma, incluidos manipuladores inteligentes, electrónica y sistemas de atención médica.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El presente protocolo describe la creación de robots blandos cuatridimensionales (4D), dependientes del tiempo, cambiantes y sensibles a estímulos utilizando un método de bioimpresión tridimensional (3D). Recientemente, las técnicas de impresión 4D se han propuesto ampliamente como nuevos métodos innovadores para desarrollar robots blandos transformables en forma. En particular, la transformación de la forma 4D dependiente del tiempo es un factor esencial en la robótica blanda porque permite que las funciones efectivas ocurran en el momento y lugar adecuados cuando se activan por señales externas, como el calor, el pH y la luz. En línea con esta perspectiva, se pueden imprimir materiales sensibles a estímulos, incluidos hidrogeles, polímeros e híbridos, para realizar sistemas robóticos blandos inteligentes transformables en forma. El protocolo actual se puede utilizar para fabricar pinzas blandas térmicamente sensibles compuestas de hidrogeles a base de N-isopropilacrilamida (NIPAM), con tamaños totales que van desde milímetros hasta centímetros de longitud. Se espera que este estudio proporcione nuevas direcciones para realizar sistemas robóticos blandos inteligentes para diversas aplicaciones en manipuladores inteligentes (por ejemplo, pinzas, actuadores y máquinas de recoger y colocar), sistemas de atención médica (por ejemplo, cápsulas de medicamentos, herramientas de biopsia y microcirugías) y electrónica (por ejemplo, sensores portátiles y fluidos).

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El desarrollo de robots blandos sensibles a estímulos es importante tanto desde el punto de vista técnico como intelectual. El término robots blandos sensibles a estímulos generalmente se refiere a dispositivos / sistemas compuestos de hidrogeles, polímeros, elastómeros o híbridos que exhiben cambios de forma en respuesta a señales externas, como calor, pH y luz 1,2,3,4. Entre los muchos robots blandos sensibles a estímulos, los robots blandos basados en hidrogel de N-isopropilacrilamida (NIPAM) realizan las tareas o interacciones deseadas utilizando la transformación espontánea de formas 5,6,7,8. En general, los hidrogeles basados en NIPAM exhiben una baja temperatura crítica de solución (LCST), y la hinchazón (hidrofilicidad por debajo del LCST) y la deshinchazón (hidrofobicidad por encima del LCST) ocurren cambios en las propiedades dentro del sistema de hidrogel cerca de temperaturas fisiológicas entre 32 °C y 36 °C 9,10. Este mecanismo reversible de hinchamiento-hinchamiento cerca del punto crítico de transición agudo del LCST puede generar la transformación de la forma de los robots blandos de hidrogel basados en NIPAM2. Como resultado, los robots blandos de hidrogel basados en NIPAM térmicamente sensibles han mejorado las operaciones, como caminar, agarrar, gatear y detectar, que son importantes en manipuladores multifuncionales, sistemas de atención médica y sensores inteligentes 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.

En la fabricación de robots blandos sensibles a estímulos, los enfoques de impresión tridimensional (3D) se han empleado ampliamente utilizando un proceso aditivo directo capa por capa22. Una variedad de materiales, como plásticos e hidrogeles blandos, se pueden imprimir con impresión3D 23,24. Recientemente, la impresión 4D ha sido ampliamente destacada como una técnica innovadora para crear robots blandos programables con forma25,26,27,28. Esta impresión 4D se basa en la impresión 3D, y la característica clave de la impresión 4D es que las estructuras 3D pueden cambiar sus formas y propiedades con el tiempo. La combinación de impresión 4D e hidrogeles sensibles a estímulos ha proporcionado otra ruta innovadora para crear dispositivos 3D inteligentes que cambian de forma con el tiempo cuando se exponen a desencadenantes de estímulos externos apropiados, como calor, pH, luz y campos magnéticos y eléctricos25,26,27,28 . El desarrollo de esta técnica de impresión 4D utilizando diversos hidrogeles sensibles a estímulos ha brindado una oportunidad para la aparición de robots blandos transformables en forma que muestran multifuncionalidad con velocidades de respuesta mejoradas y sensibilidad de retroalimentación.

Este estudio describe la creación de una pinza suave térmicamente sensible impulsada por impresión 3D que muestra la transformación de la forma y la locomoción. En particular, el procedimiento específico descrito se puede utilizar para fabricar varios robots blandos multifuncionales con tamaños totales que van desde las escalas de longitud milimétrica a centimétrica. Finalmente, se espera que este protocolo se pueda aplicar en varios campos, incluidos robots blandos (por ejemplo, actuadores inteligentes y robots de locomoción), electrónica flexible (por ejemplo, sensores optoeléctricos y lab-on-a-chip) y sistemas de atención médica (por ejemplo, cápsulas de administración de medicamentos, herramientas de biopsia y dispositivos quirúrgicos).

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La pinza suave sensible a estímulos estaba compuesta por tres tipos diferentes de hidrogeles: hidrogel a base de acrilamida (AAm) no sensible a estímulos, hidrogel a base de N-isopropil acrilamida (NIPAM) térmicamente sensible y ferrogel sensible magnético (Figura 1). Las tres tintas de hidrogel fueron preparadas modificando métodos previamente publicados 29,30,31. Los datos presentados en este estudio están disponibles a petición del autor correspondiente.

1. Preparación de tintas de hidrogel

  1. Tintas de hidrogel basadas en AAm que no responden a estímulos (Figura 1A)
    1. Diluir la acrilamida (AAm), el reticulante N, N'-metilenbisacrilamida (BIS) (ver Tabla de materiales) y el fotoiniciador 2-hidroxi-4'-(2-hidroxietoxi)-2-metilpropiofenona (ver Tabla de materiales) en agua destilada (DI) usando un agitador magnético durante 24 h.
    2. Vortex el agente adelgazante de cizallamiento, la nanoarcilla RD de laponita y el colorante fluoresceína O-metacrilato (consulte la Tabla de materiales) a 1.150 rpm durante al menos 6 h hasta que se diluyan por completo.
    3. Prepare pesos específicos de tinta de hidrogel a base de AAm por total de 20 ml de base de solución: 1,576 g de AAm, 0,332 g de BIS, 1,328 g de laponita RD, 0,166 g de fotoiniciador, 0,1 mg de NaOH, 0,1 mg de fluoresceína O-metacrilato (ver Tabla de materiales) y 16,594 g de agua DI.
    4. Después de la dilución total, transfiera la tinta de hidrogel a base de AAm a un cartucho de impresión 3D vacío (consulte la Tabla de materiales) utilizando una jeringa.
  2. Tintas de hidrogel a base de NIPAM sensibles a estímulos (Figura 1B)
    1. Diluir la N-isopropil acrilamida (NIPAM), la poli N-isopropil acrilamida (PNIPAM) y el fotoiniciador (ver Tabla de materiales) en agua DI usando un agitador magnético durante 24 h.
    2. Vortex el agente adelgazante de cizallamiento, la nanoarcilla RD de laponita y el colorante 6G de rodamina fluoresceína a 1.150 rpm durante al menos 6 h hasta que se diluyan por completo.
    3. Prepare pesos específicos de tinta de hidrogel a base de NIPAM por total de 20 ml de base de solución: 1.692 g de NIPAM, 0.02 g de pNIPAM, 1.354 g de laponita RD, 0.034 g de fotoiniciador, 0.1 mg de rodamina 6G (ver Tabla de materiales) y 16.92 g de agua DI.
    4. Después de la dilución completa, transfiera la tinta de hidrogel a base de NIPAM a un cartucho de impresión 3D vacío con una jeringa.
  3. Tintas Ferrogel (Figura 1C)
    1. Prepare la solución A: acrilamida diluida (AAm) y reticulante, N, N'-metilenbisacrilamida (BIS), óxido férrico (Fe2O3) y N, N, N', N'-tetrametiletilendiamina (TMEDA) (ver Tabla de materiales) en agua DI.
    2. Considere el porcentaje de peso específico (peso %) de los materiales: 71% AAm, 3.5% BIS y 25.5% Fe 2 O3 en1.2mL de agua DI con 10 μL de acelerador TMEDA.
    3. Prepare la solución B: Diluya 0,8 g de persulfato de amonio (APS, consulte la Tabla de materiales) en 10 ml de agua DI.
    4. Para la polimerización, transferir 200 μL de la solución A y 5 μL de la solución B a un tubo de microcentrífuga.
    5. Vórtice el tubo de microcentrífuga durante 20 s.

2. Optimización del diseño de la pinza híbrida suave

NOTA: La pinza híbrida suave elíptica está compuesta por una capa externa de hidrogel a base de AAm, una capa interna de hidrogel a base de NIPAM y una capa superior de ferrogel (Figura 1D). La pinza híbrida blanda elíptica general se creó utilizando el software AutoCAD (consulte la Tabla de materiales).

  1. Diseño bidimensional de capa de hidrogel basado en AAm
    1. Dibuja una forma elíptica con un eje vertical de 24 mm y un eje horizontal de 20 mm en la parte más externa.
    2. Dibuje otra forma elíptica con un eje vertical de 20,8 mm y un eje horizontal de 16,8 mm con el mismo punto central que la forma dibujada en el paso 2.1.1.
    3. Dibuja un arco de tres puntos que pase a través de los puntos (−8.24, 2), (0, 6) y (8.24, 2) lejos del punto central de la elipse.
    4. Recorta la pequeña parte superior del eclipse dividida por el arco.
  2. Diseño bidimensional de capa de hidrogel basado en NIPAM
    1. Dibuje un óvalo con un eje vertical de 20,2 mm y un eje horizontal de 16,4 mm con el mismo punto central que la forma dibujada en el paso 2.1.1.
    2. Dibuje una elipse con un eje vertical de 16,16 mm y un eje horizontal de 13,12 mm con el mismo punto central que la forma dibujada en el paso 2.1.1.
    3. Dibuja un arco de tres puntos que pase a través de los puntos (−7.86, 1.83), (0, 5.6) y (7.86, 1.83) lejos del punto central de la elipse.
    4. Dibuja un arco de tres puntos que pase a través de los puntos (−5.47, 1.64), (0, 3.18) y (5.47, 1.64) lejos del punto central de la elipse.
    5. Recorta la pequeña parte superior de las elipses dividida por los arcos.
    6. Para hacer un pedestal, dibuja un arco con dos puntos lejos del punto central en (−4.75, −2.71) y (4.75, −2.71) como ambos puntos finales y un punto lejos del punto central en (0, -4.59).
  3. Diseño bidimensional de capa de ferrogel
    1. Dibuja un arco de tres puntos que pase a través de los puntos (−7, 4.92), (0, 9.2) y (7, 4.92) lejos del punto central de la elipse.
    2. Dibuja un arco de tres puntos que pase a través de los puntos (−7, 4.92), (0, 7.6) y (7, 4.92) lejos del punto central de la elipse.
  4. Diseño bidimensional de puntas de pinza
    1. Para hacer la parte de agarre de la pinza, corte 0,8 mm de cada lado desde la línea central en la parte inferior de la elipse.
  5. Diseño de pinza híbrida tridimensional
    1. Para convertir el diseño general de la pinza híbrida 2D en 3D, extruya el pedestal del gel sensible en 0,8 mm y extruya el gel que no responde, el óvalo cortado del gel sensible y el ferrogel en 2,5 mm.

3. Impresión tridimensional de la pinza híbrida suave

  1. Genere un código G 30 para cada estructura creada en el paso 2 utilizando el software Slic3r (consulte Tabla de materiales) con una altura de capa de 0,4 mm, una velocidad de impresión de10 mms−1 y una densidad de relleno del 75%. Edite el archivo de código G con cabezales de impresión dobles.
  2. Guarde el archivo de código G en una tarjeta digital segura (SD) y conéctelo a la impresora 3D (consulte Tabla de materiales) para generar las rutas de impresión de la pinza blanda.
  3. Conecte un control de presión de la bomba de aire a la impresora 3D.
  4. Elija puntas de boquilla con diámetros de 0,25 mm y 0,41 mm para el hidrogel a base de NIPAM y el hidrogel a base de AAm, respectivamente.
  5. Conecte el cartucho de hidrogel a base de AAm a la boquilla 1 y el cartucho de hidrogel a base de NIPAM a la boquilla 2.
  6. Compruebe si los dos cabezales de impresión de los cartuchos están en la misma posición en el eje z.
  7. Calibre las coordenadas X e Y con precisión para evitar desalineaciones entre las dos boquillas.
  8. Ajuste la presión de impresión a 20-25 KPa para el hidrogel a base de AAm y a 10-15 KPa para el hidrogel a base de NIPAM.
  9. Repita los pasos 3.5-3.8 cuando cada muestra esté completamente impresa (Figura 2A).

4. Fotocurado UV de la pinza híbrida suave

  1. Antes del fotocurado UV, inyecte las tintas de ferrogel sensibles al campo magnético (preparadas en el paso 1.3) en el área de orificio delgado objetivo de la pinza suave impresa en 3D con una jeringa.
  2. Después de la inyección del ferrogel, coloque la estructura de la pinza dentro de una cámara de fuente UV con una longitud de onda de 365 nm durante 6 min. Fije la intensidad de la luz UV a 4,9 mJ/s.
  3. Después del fotocurado UV, transfiera la estructura de la pinza a un baño de agua DI durante al menos 24 h hasta que alcance un estado de equilibrio completamente hinchado (Figura 2B-D).

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El hidrogel a base de NIPAM se consideró principalmente al diseñar la pinza suave térmicamente sensible debido a su LCST afilado, lo que hace que exhiba propiedades significativas de hinchazón-hinchazón 9,10. Además, el hidrogel basado en AAm se consideró como un sistema que no responde a estímulos para maximizar la transformación de la forma de la pinza híbrida suave al tiempo que reduce la delaminación de la interfaz durante múltiples procesos de calentamiento ...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

En términos de selección de materiales para la pinza híbrida blanda, se preparó por primera vez un sistema de material de respuesta múltiple compuesto por un hidrogel a base de AAm que no responde a estímulos, un hidrogel basado en NIPAM térmicamente sensible y un ferrogel de respuesta magnética para permitir que la pinza híbrida suave exhiba locomoción programable y transformación de forma. Debido a sus propiedades de hinchazón-deshinchazón térmicamente sensibles, los hidrogeles a base de NIPAM exhiben flexión, plegado ...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores agradecen el apoyo de la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno coreano (MSIT) (No.2022R1F1A1074266).

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
2-hidroxi-4'-(2-hidroxietoxi)-2-metilpropiofenonaSigma Aldrich410896-50GIrgacure 2959, fotoiniciador
3D WOX 2Xsindohn/aimpresora 3D para fabricar un laberinto
AcrylamideSigma-Aldrich29-007≥ 99%
Compresor de aerógrafoWilTecAF18-2
Persulfato de amonioSigma AldrichA4418
Auto CADAutodeskn/asoftware para diseño asistido por ordenador archivo
BLX Reticulante UVBIO-LINKU01-133-565
CartuchoCELLINKCSC010300102
Agitación digital Caliente PlacasCorning6798-420D
Fluoresceína O-metacrilatoSigma Aldrich568864colorante de AAm gel
INKREDIBLE+ bioimpresoraCELLINKn/a
Óxido de hierro (III) rojoDUKSAN ciencia generalI0231
Laponita RDBYKn/ananoarcilla
Tubo de microcentrífugaSPL60615
Micro barra agitadoraCowie27-00360-08
N, N, N', N'-tetrametiletilendiaminaSigma AldrichT7024-100ML
N, N'-metilenebisacrilamidaSigma AldrichM7279≥ 99.5%
N-isopropilacrilamidaSigma-Aldrich415324-50G
Poli(N-isopropilacrilamida)Sigma-Aldrich535311
Rodamina 6GSigma AldrichR4127colorante de gel NIPAM
Software Slic3r (v1.2.9)Slic3rn/apara convertir archivos .stl a gcode
Perlas de hidróxido de sodioSigma AldrichS5881
Boquillas de bioimpresión cónicas estériles de alta precisiónCELLINKNZ327000500122 G, 25 G
Jeringavacunas de CoreaK0741538910 CC 21 G (1-1/4 INCH)
Mezclador de vórticeDAIHANDH.
Software de código abierto de WVM00030

References

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