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

本プロトコルは、様々なアプリケーション向けに、インテリジェントで形状変形可能なソフトロボットシステムを実現するための新たな方向性を提供することが期待されます。4D時間依存の印刷プロセスは、ミリメートルからセンチメートルまでの幅広いサイズ範囲で、多様な刺激応答ソフトロボットを作成できます。この4Dバイオプリンティング技術は、ヘルスケアエンジニアリングにおける標的薬物送達、顕微手術、および低侵襲生検に拡張することができます。

テキストのみの情報は読者に曖昧さをもたらす可能性があるため、意図した結果を達成するために視覚的なデモンストレーションが不可欠です。非刺激応答性アクリルアミド系ハイドロゲルインクを調製するには、アクリルアミド、架橋剤、および光開始剤を磁気攪拌機を使用してイオン交換水で24時間希釈します。刺激応答性N-イソプロピルアクリルアミドベースのヒドロゲルインクを調製するには、N-イソプロピルアクリルアミド、プロピルN-イソプロピルアクリルアミド、および光開始剤を脱イオン水中で、マグネチックスターラーを使用して24時間希釈します。

次に、アクリルアミドゲルとN-イソプロピルアクリルアミドゲルに染料を加え、せん断剤であるラポナイトRDを毎分1150回転、または少なくとも6時間、完全に希釈されるまでボルテックスします。次に、本文に記載されている指示に従って、ヒドロゲルインクを準備します。フェローゲルインクを調製するために、まず、本文に記載のプロトコールに従ってA液及びB液を調製する。

重合を行うには、200マイクロリットルのA溶液と5マイクロリットルのB溶液をマイクロ遠心チューブに移し、混合物を20秒間ボルテックスします。スライサーソフトウェアを使用して、グリッパー設計の最適化によって以前に作成された各構造のGコードを生成します。レイヤーの高さを 0.4 ミリメートルに割り当てます。

75%の充填密度と毎秒10ミリメートルの印刷速度。デュアルプリントヘッドを使用してGコードファイルを編集します。Gコードファイルを3Dプリンターに接続する前に、安全なデジタルカードまたはSDカードに保存します。

アクリルアミドベースとN-イソプロピルアクリルアミドベースのヒドロゲルカートリッジをそれぞれのノズルに接続した後、カートリッジの2つのプリントヘッドがZ軸の同じ位置にあるかどうかを確認します。次に、X座標とY座標を正確に調整して、2つのノズル間の位置ずれを防ぎます。次に、印刷圧力をアクリルアミドベースのヒドロゲルの場合は20〜25キロパスカルに設定し、N-イソプロピルアクリルアミドベースのヒドロゲルの場合は10〜15キロパスカルに設定します。

各サンプルが完全に印刷されたら、次の手順を繰り返して、次のサンプルを印刷します。UV光硬化の前に、シリンジを使用して、磁場応答性フェローゲルインクを3Dプリントされたソフトグリッパーのターゲットの薄い穴領域に注入します。フェログの注入後、グリッパー構造を波長365ナノメートルのUV光源チャンバー内に6分間配置します。

UV光硬化後、グリッパー構造を脱イオン水浴に移し、完全に膨潤した平衡状態に達するまで少なくとも24時間行います。ソフトハイブリッドグリッパーは、熱応答作動と磁気移動を介してピックアンドプレースタスクを実行しました。温度が下限臨界溶液温度(LCST)を超えると、N-イソプロピルアクリルアミドベースのヒドロゲルが膨潤して収縮し、グリッパーチップが閉じました。

一方,グリッパー先端は,N-イソプロピルアクリルアミド系ヒドロゲルの膨潤によりLCSTを下回ると開いた。グリッパーはまた、脱イオン水で満たされた3Dプリントされたサンプル迷路内でのピックアンドプレースタスクを実演しました。グリッパーは、先端が開いた状態で、外部磁石によって開始位置からターゲットのイクラまでガイドされました。

気温が摂氏40度に達すると、グリッパーの先端が閉じてイクラをつかみました。イクラを握ったまま迷路から誘導し、室温25°Cの先端開放状態で対象部位に無傷のイクラを放流することに成功した。2つのノズル間の座標点を校正する際には、実験的な注意を払う必要があります。

このプロセスには多くの練習が必要です。この特定のプロトコルは、正確に制御可能で高感度で多機能なスマート刺激応答ソフトロボットの実現におけるさらなる重要な進歩の基礎を提供します。