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
January 13th, 2023
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。
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。
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概要
この原稿は、知的な刺激応答性のあるソフトロボットを作製するための4Dプリンティング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ー、電子機器、医療システムを含む、知的な形状変換可能なソフトロボットシステムの実現のための基盤を提供できます。
主要な研究構成要素
科学の分野
- ソフトロボティクス
- 4Dプリント技術
- バイオメディカルエンジニアリング
背景
- 4Dプリンティングは、時間とともに形状を変えることができる材料の作成を可能にします。
- 刺激応答性材料は環境の変化に反応できます。
- ソフトロボットは医療を含む様々な分野で応用があります。
- 視覚的な実演は複雑なプロセスの理解を深めます。
研究の目的
- 知的で形状変換可能なソフトロボットを作成する手法を開発すること。
- 標的薬物送達とマイクロサージェリーへの応用を探ること。
- 4Dプリンティング用のヒドロゲルインクを準備するためのプロトコルを提供すること。
使用された方法
- 非刺激応答性アクリルアミドベースのヒドロゲルインクの調製。
- 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の調製。
- インク調製のための磁気撹拌器の利用。
- 時間依存型の4Dプリンティングプロセスの実装。
主要な結果
- 4Dプリンティングプロセスは多様な刺激応答性のあるソフトロボットを作成できます。
- ロボット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作製できます。
- この技術は医療工学の課題に適用可能です。
- 視覚的な補助は複雑な情報を効果的に伝えるために重要です。
結論
- この研究は将来のソフトロボットシステムのための基盤を築きます。
- 4Dプリンティングは医療応用を大きく進歩させることができます。
- 材料とプロセスを最適化するにはさらなる研究が必要です。
よくある質問
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.
