方法論記事

刺激応答性ハイドロゲル系ソフトロボットの4次元印刷

DOI：

10.3791/64870

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2023年1月13日

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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

この記事について

サマリー

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この原稿では、インテリジェントな刺激応答性ソフトロボットを製造するための4D印刷戦略について説明しています。このアプローチは、スマートマニピュレータ、エレクトロニクス、ヘルスケアシステムなど、インテリジェントな形状変換可能なソフトロボットシステムの実現を促進するための基礎を提供することができます。

要約

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本プロトコルは、3次元(3D)バイオ印刷法を用いた4次元(4D)、時間依存、形状変化可能、刺激応答性ソフトロボットの作成を記載する。近年、形状変形可能なソフトロボットを開発するための革新的な新しい方法として、4D印刷技術が広く提案されている。特に、4D時間依存の形状変換は、熱、pH、光などの外部キューによってトリガーされたときに適切な時間と場所で効果的な機能を発生させることができるため、ソフトロボティクスの重要な要素です。この観点に沿って、ヒドロゲル、ポリマー、ハイブリッドなどの刺激応答材料を印刷して、スマートな形状変換可能なソフトロボットシステムを実現できます。現在のプロトコルは、 N-イソプロピルアクリルアミド(NIPAM)ベースのヒドロゲルで構成される熱応答性ソフトグリッパーを製造するために使用でき、全体の長さはミリメートルからセンチメートルの範囲です。本研究は、スマートマニピュレータ(グリッパー、アクチュエータ、ピックアンドプレースマシンなど)、ヘルスケアシステム(薬物カプセル、生検ツール、マイクロサージャリーなど)、エレクトロニクス(ウェアラブルセンサーや流体工学など)のさまざまなアプリケーション向けに、インテリジェントソフトロボットシステムを実現するための新しい方向性を提供することが期待されます。

概要

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刺激応答性ソフトロボットの開発は、技術的にも知的にも重要です。刺激応答性ソフトロボットという用語は、一般に、熱、pH、および光1,2,3,4などの外部手がかりに応答して形状変化を示すヒドロゲル、ポリマー、エラストマー、またはハイブリッドで構成されるデバイス/システムを指す。多くの刺激応答性ソフトロボットの中で、N-イソプロピルアクリルアミド(NIPAM)ヒドロゲルベースのソフトロボットは、自発的な形状変換5,6,7,8を用いて所望のタスクまたは相互作用を実行する。一般に、NIPAMベースのヒドロゲルは低い臨界溶解温度(LCST)を示し、膨潤(LCST未満の親水性)および脱膨潤(LCSTを超える疎水性)特性の変化は、32°C〜36°Cの間の生理学的温度付近のヒドロゲル系内で生じる9,10。LC....

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プロトコル

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刺激応答性ソフトグリッパーは、非刺激応答性アクリルアミド(AAm)系ハイドロゲル、熱応答性 N-イソプロピルアクリルアミド(NIPAM)系ハイドロゲル、磁気応答性フェロゲルの3種類のハイドロゲルから構成されていました(図1)。3つのヒドロゲルインクは、以前に公開された方法29、30、31を改変することによって調製された。この研究で提示されたデータは、対応する著者からの要求に応じて入手できます。

1.ヒドロゲルインクの調製

  1. 非刺激応答性AAmベースのヒドロゲルインク(図1A)
    1. アクリルアミド(AAm)、架橋剤N,N'-メチレンビスアクリルアミド(BIS)(材料表を参照)、および光開始剤2-ヒドロキシ-4'-(2-ヒドロキシエトキシ)-2-メチルプロピオフェノン(材料表を参照)をマグネチックスターラーを使用して蒸留(DI)水で24時間希釈します。
    2. せん断減粘剤、ラポナイ....

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結果

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NIPAMベースのヒドロゲルは、その鋭いLCSTのために熱応答性ソフトグリッパーを設計するときに主に考慮されました、それはそれが顕著な膨潤 - 脱膨潤特性を示す原因となります9,10。さらに、AAmベースのヒドロゲルは、複数の加熱および冷却プロセス中の界面の層間剥離を低減しながら、ソフトハイブリッドグリッパーの形状変換を最大化する非刺激応答システムと見なされました。さらに、フェローゲルはこのハイブリッドシステムに統合され、磁場駆動の移動を無制限に制御するための磁場応答性ソフトハイブリッドグリッパーを作成しました。特に、フェローゲルインク注入は、NIPAMベースのヒドロゲル構造からの分離を避けるために、重合前に行わなければならない。

熱応答性の開閉の作動は、主にハイブリッドグリッパーの最適な形状を決定するために考慮されました。最初に、NIPAM系およびAAm系ヒドロゲルの膨潤および脱膨潤を、室温から60°Cまでの直径変化を測定することによって評価した。 この膨潤力の検.......

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ディスカッション

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ソフトハイブリッドグリッパーの材料選択に関しては、非刺激応答性AAmベースのヒドロゲル、熱応答性NIPAMベースのヒドロゲル、および磁気応答性フェローゲルで構成されるマルチレスポンシブ材料システムを最初に準備し、ソフトハイブリッドグリッパーがプログラム可能な移動と形状変換を示せるようにしました。NIPAMベースのヒドロゲルは、熱応答性の膨潤-脱膨潤特性により、AAmベースのヒドロゲル1などの異なる膨潤特性を有するヒドロゲルを用いて二層または二ストリップ構造として製造した場合、曲がり、折り畳み、またはしわを示します。加えて、ヒドロゲルは、酸化鉄(Fe2O3)ナノ粒子を包埋することによって磁気応答性になるように設計することができる。重要なことに、このFe2O3を組み込んだアクリルアミドベースのフェロゲルは、ソフトロボットの磁場駆動移動を促進するための磁気応答性を可能にする上で重要な役割を果たすことができる。特に、磁気応答性ヒドロゲルは、束縛されていないヒドロゲルベースのソフトロボットシステムにおいて使用され.......

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開示事項

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著者は利益相反を宣言しません。

謝辞

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著者らは、韓国政府(MSIT)が資金提供する韓国国立研究財団(NRF)助成金(No.2022R1F1A1074266)からの支援に感謝の意を表します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
2-ヒドロキシ-4'-(2-ヒドロキシエトキシ)-2-メチルプロピオフェノンSigma Aldrich410896-50GIrgacure 2959、光開始剤
3D WOX 2Xsindohn/a迷路を製作するための 3D プリンター
アクリルアミドSigma-Aldrich29-007≥99%
エアブラシコンプレッサーWilTecAF18-2
過硫酸アンモニウムSigma AldrichA4418
Auto CADAutodeskn/asoftware for computer-aided-design file
BLX UVクロスリンカーBIO-LINKU01-133-565
カートリッジCELLINKCSC010300102
デジタル攪拌 ホットプレートコーニング6798-420D
フルオレセイン O-メタクリレートシグマ アルドリッチ568864AAm ゲルの染料
INKREDIBLE+ バイオプリンターCELLINKn/a
鉄(III) 酸化物 赤DUKSAN 一般科学I0231
ラポナイト RDBYKn/aナノクレイ
微量遠心チューブSPL60615
マイクロスターラーバーカウイ27-00360-08
N、N、N'、N'-テトラメチルエチレンジアミンシグマ アルドリッチT7024-100ML
N、N'-メチレンビスアクリルアミドシグマ アルドリッチM7279≥99.5%
N-イソプロピルアクリルアミドSigma-Aldrich415324-50G
ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)Sigma-Aldrich535311
Rhodamine 6GSigma AldrichR4127NIPAMゲル
の染料 Slic3rソフトウェア (v1.2.9)Slic3rn/a.stlファイルをgcodeに変換するオープンソースソフトウェア
酸化ナトリウムビーズSigma AldrichS5881
滅菌高精度円錐形バイオプリンティングノズルCELLINKNZ327000500122 G、25 Gシ
リンジ韓国ワクチンK0741538910 CC 21 G(1-1 / 4インチ)
ボルテックスミキサーDAIHANDH。
水WVM00030

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gracias, D. H. Stimuli responsive self-folding using thin polymer films. Current Opinion in Chemical Engineering. 2 (1), 112-119 (2013).
  2. Zhang, Y. S., Khademhosseini, A. Advances in engineering hydrogels. Science. 356 (6337), (2017).
  3. Erol, O., Pantula, A., Liu, W., G....

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