방법 논문

자극반응형 하이드로겔 기반 소프트 로봇의 4차원 프린팅

DOI:

10.3791/64870

⸱

2023년 1월 13일

 ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

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이 원고는 지능형 자극 반응형 소프트 로봇을 제작하기 위한 4D 프린팅 전략을 설명합니다. 이 접근 방식은 스마트 매니퓰레이터, 전자 장치 및 의료 시스템을 포함한 지능형 형상 변형 가능한 소프트 로봇 시스템의 실현을 촉진하는 토대를 제공할 수 있습니다.

초록

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본 프로토콜은 3차원(3D) 바이오프린팅 방법을 사용하여 4차원(4D), 시간 의존적, 형태 변경 가능, 자극 반응형 소프트 로봇의 생성을 설명합니다. 최근 4D 프린팅 기술은 형상 변형 가능한 소프트 로봇을 개발하기위한 혁신적인 새로운 방법으로 광범위하게 제안되었습니다. 특히 4D 시간 종속 형상 변환은 열, pH 및 빛과 같은 외부 신호에 의해 트리거 될 때 효과적인 기능이 적시에 발생할 수 있기 때문에 소프트 로봇 공학의 필수 요소입니다. 이러한 관점에 따라 하이드로겔, 폴리머, 하이브리드 등 자극반응성 물질을 프린팅하여 스마트 형상 변형 가능한 소프트 로봇 시스템을 구현할 수 있습니다. 전류 프로토콜은 N-이소프로필아크릴아미드(NIPAM) 기반 하이드로겔로 구성된 열 반응성 소프트 그리퍼를 제조하는 데 사용할 수 있으며 전체 크기는 길이가 밀리미터에서 센티미터에 이릅니다. 이 연구는 스마트 매니퓰레이터 (예 : 그리퍼, 액추에이터 및 픽 앤 플레이스 기계), 의료 시스템 (예 : 약물 캡슐, 생검 도구 및 미세 수술) 및 전자 제품 (예 : 웨어러블 센서 및 유체 공학).

서론

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자극 반응형 소프트 로봇의 개발은 기술적, 지적 관점 모두에서 중요합니다. 자극 반응형 소프트 로봇이라는 용어는 일반적으로 열, pH및 빛과 같은 외부 신호에 반응하여 모양 변화를 나타내는 하이드로겔, 폴리머, 엘라스토머 또는 하이브리드로 구성된 장치/시스템을 나타냅니다.1,2,3,4. 많은 자극 반응형 소프트 로봇 중에서 N-이소프로필아크릴아미드(NIPAM) 하이드로겔 기반 소프트 로봇은 자발적인 형상 변형 5,6,7,8을 사용하여 원하는 작업 또는 상호 작용을 수행합니다. 일반적으로, NIPAM-계 하이드로겔은 낮은 임계 용액 온도(LCST)를 나타내고, 팽윤(LCST 이하의 친수성) 및 디팽윤(LCST 이상의 소수성) 특성 변화는 32°C와 36°C 사이의 생리학적 온도 근처에서 하이드로겔 시스템 내부에서 발생한다

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프로토콜

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자극 반응형 소프트 그리퍼는 비자극 반응형 아크릴아미드(AAm) 기반 하이드로겔, 열반응성 N-이소프로필 아크릴아미드(NIPAM) 기반 하이드로겔 및 자기 반응형 페로겔의 세 가지 유형의 하이드로겔로 구성되었습니다(그림 1). 3개의 하이드로겔 잉크는 이전에 공개된 방법 29,30,31을 변형하여 제조하였다. 이 연구에서 제시된 데이터는 교신 저자의 요청에 따라 제공됩니다.

1. 하이드로겔 잉크의 제조

  1. 비자극 반응성 AAm 기반 하이드로겔 잉크(그림 1A)
    1. 아크릴아미드(AAm), 가교결합제 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(BIS)(재료 표 참조) 및 광개시제 2-히드록시-4'-(2-히드록시에톡시)-2-메틸프로피오페논(재료 표 참조)을 24시간 동안 자기 교반기를 사용하여 증류수(DI)에 희석합니다.
      2. ....

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결과

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NIPAM 기반 하이드로 겔은 날카로운 LCST로 인해 열적으로 반응하는 소프트 그리퍼를 설계 할 때 주로 고려되었으며, 이로 인해 상당한 팽창 - 팽창 제거 특성을 나타냅니다 9,10. 또한 AAm 기반 하이드로겔은 여러 가열 및 냉각 과정에서 계면의 박리를 줄이면서 소프트 하이브리드 그리퍼의 형상 변형을 극대화하기 위해 비자극 반응성 시스템으로 간주되었습니다. 또한 ferrogel은 이 하이브리드 시스템에 통합되어 자기장 구동 운동의 무제한 제어를 위한 자기장 반응성 소프트 하이브리드 그리퍼를 만들었습니다. 특히, 페로겔 잉크 주입은 NIPAM 기반 하이드로겔 구조로부터 분리되는 것을 피하기 위해 중합 전에 수행되어야 한다.

열 반응성 개폐의 작동은 주로 하이브리드 그리퍼의 최적 형상을 결정하기 위해 고려되었습니다. 초기에, NIPAM계 및 AAm계 하이드로겔의 팽윤 및 .......

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토론

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소프트 하이브리드 그리퍼의 재료 선택 측면에서 비반응성 AAm 기반 하이드로겔, 열반응성 NIPAM 기반 하이드로겔 및 자기반응성 페로겔로 구성된 다중 반응성 재료 시스템을 먼저 준비하여 소프트 하이브리드 그리퍼가 프로그래밍 가능한 이동 및 형상 변형을 나타낼 수 있도록 했습니다. 열적으로 반응하는 팽윤-팽창 제거 특성으로 인해 NIPAM 기반 하이드로겔은 AAm 기반 하이드로겔1과 같이 팽윤 특성이 다른 하이드로겔을 갖는 이중층 또는 이중 스트립 구조로 제조될 때 구부러지거나 접히거나 주름이 나타납니다. 또한, 하이드로젤은 산화철(Fe2O3) 나노입자를 내장함으로써 자기적으로 반응하도록 설계될 수 있다. 중요하게도, 이러한Fe2O3-혼입된 아크릴아미드계 페로겔은 연질 로봇 자기장 구동 이동을 용이하게 하는 자기 응답성을 가능하게 하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 특히, 자기적으로 반응하는 히드로겔은 동적으.......

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공개 사항

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저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.

감사의 글

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저자는 한국 정부(MSIT)가 지원하는 한국연구재단(NRF) 보조금(No.2022R1F1A1074266)의 지원에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenoneSigma Aldrich410896-50GIrgacure 2959, 광개시
3D WOX 2Xsindohn/a미로 제작용 3D 프린터
아크릴아미드Sigma-Aldrich29-007≥ 99%
에어브러시 압축기WilTecAF18-2
과황산암모늄Sigma AldrichA4418
Auto CADAutodesk해당 사항 없음지원 설계 파일용 소프트웨어
BLX UV 가교제BIO-LINKU01-133-565
카트리지CELLINKCSC010300102
디지털 교반 뜨거운 플레이트Corning6798-420D
, 플루오레세인, O-메타크릴레이트, 시그마, 알드리치568864 AAm염료
INKREDIBLE+ 바이오프린터,CELLINK해당 없음
, Iron(III), 산화물, 빨간색DUKSAN general science, I0231
Laponite, RDBYK해당 없음나노클레이
마이크로원심분리기,SPL, SPL60615
마이크로 교반기 바Cowie27-00360-08
N, N, N', N'-테트라메틸에틸렌디아민시그마 AldrichT7024-100ML
N, N'-메틸렌비사아크릴아미드시그마 AldrichM7279≥ 99.5%
N-이소프로필아크릴아미드시그마-알드리치415324-50G
폴리(N-이소프로필아크릴아미드)시그마-알드리치535311
로다민 6G시그마 알드리치NIPAM 젤의R4127
Slic3r 소프트웨어(v1.2.9)Slic3r해당 없음.stl 파일을 gcode로 변환하는 오픈 소스 소프트웨어
산화나트륨 비드시그마 알드리치S5881
멸균 고정밀 원추형 바이오프린팅 노즐CELLINKNZ327000500122G, 25G
주사기한국 백신K0741538910CC 21G(1-1/4인치)
볼텍스 믹서DAIHANDH.
제 컴퓨터 : , , , , , , , , , 염료 수WVM00030

참고문헌

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