Vierdimensionaal printen van stimuli-responsieve hydrogel-gebaseerde zachte robots
13 januari 2023
Dit manuscript beschrijft een 4D-printstrategie voor het fabriceren van intelligente stimuli-responsieve zachte robots. Deze aanpak kan de basis vormen voor de realisatie van intelligente vorm-transformeerbare zachte robotsystemen, waaronder slimme manipulatoren, elektronica en gezondheidszorgsystemen.
Het gepresenteerde protocol zal naar verwachting nieuwe richtingen bieden voor het realiseren van intelligente, vorm transformeerbare, zachte robotsystemen voor verschillende toepassingen. Het 4D-tijdsafhankelijke printproces kan diverse prikkelgevoelige zachte robots creëren, met een breed formaatbereik, van millimeters tot centimeters. Deze 4D-bioprinttechniek kan worden uitgebreid naar gerichte medicijnafgifte, microchirurgie en minder invasieve biopsie in de gezondheidszorg.
Alleen tekstinformatie kan ambiguïteit creëren voor de lezers, dus visuele demonstraties zijn essentieel om de beoogde resultaten te bereiken. Om de niet-stimuli-responsieve hydrogelinkten op basis van acrylamide te bereiden, verdunt u de acrylamide, de cross linker en de foto-initiator gedurende 24 uur in gedeïoniseerd water met behulp van een magnetische roerder. Om de stimuli responsieve N-isopropylacrylamide gebaseerde hydrogelinkten voor te bereiden, verdunt u N-isopropylacrylamide, propyl N-isopropylacrylamide en de foto-initiator, in gedeïoniseerd water, met behulp van een magnetische roerder gedurende 24 uur.
Voeg vervolgens kleurstof toe aan acrylamidegel en N-isopropylacrylamidegel en vortex het knipmiddel, Laponite RD, met 1150 rotaties per minuut, of ten minste zes uur, totdat ze volledig zijn verdund. Volg vervolgens de instructies in de tekst om de hydrogelinkt te bereiden. Bereid voor het bereiden van de ferrogelinkten eerst A-oplossing en B-oplossing volgens het protocol dat in de tekst wordt beschreven.
Om polymerisatie uit te voeren, brengt u 200 microliter van de A-oplossing en vijf microliter van de B-oplossing over in een microcentrifugebuis en vortext u het mengsel gedurende 20 seconden. Genereer met behulp van de Slicer-software een G-code voor elke structuur die eerder is gemaakt door optimalisatie van het grijperontwerp. Wijs een laaghoogte van 0,4 millimeter toe.
Een invuldichtheid van 75% En een printsnelheid van 10 millimeter per seconde. Bewerk het G-codebestand met dubbele printkoppen. Sla het G-codebestand op een beveiligde digitale of SD-kaart op voordat u het aansluit op de 3D-printer.
Controleer na het aansluiten van de hydrogelcartridges op basis van acrylamide en N-isopropylacrylamide op de respectieve nozzles of de twee printkoppen van de cartridges zich op dezelfde positie op de Z-as bevinden. Kalibreer vervolgens de X- en Y-coördinaten nauwkeurig, om verkeerde uitlijningen tussen de twee spuitmonden te voorkomen. Stel nu de drukdruk in op 20 tot 25 kilopascal voor de hydrogel op basis van acrylamide en op 10 tot 15 kilopascal voor de op N-isopropylacrylamide gebaseerde hydrogel.
Herhaal de stappen nadat elk voorbeeld volledig is afgedrukt om het volgende voorbeeld af te drukken. Voordat u UV-foto's maakt, injecteert u de magnetische veldresponsieve ferrogelinkten met behulp van een spuit in het beoogde dunne gat van de 3D-geprinte softgrijper. Plaats na de injectie van de ferrogel de grijperstructuur gedurende zes minuten in een UV-bronkamer met een golflengte van 365 nanometer.
Breng na het uitharden van UV-foto's de grijperstructuur over naar een gedeïoniseerd waterbad, gedurende ten minste 24 uur, totdat deze een volledig gezwollen evenwichtstoestand bereikt. De soft hybrid gripper voerde een pick and place-taak uit via thermisch responsieve bediening en magnetische voortbeweging. Toen de temperatuur boven de lagere kritische oplossingstemperatuur of LCST steeg, ontzwol de op N-isopropylacrylamide gebaseerde hydrogel en kromp, waardoor de grijperpunt werd gesloten.
Daarentegen opende de grijperpunt toen de temperatuur onder de LCST daalde, als gevolg van zwelling van de op N-isopropylacrylamide gebaseerde hydrogel. De grijper demonstreerde ook een pick and place-taak in een 3D-geprint monsterdoolhof gevuld met gedeïoniseerd water. De grijper, in zijn punt open toestand, werd geleid door een externe magneet van zijn uitgangspositie naar de doelzalmkuit.
Toen de temperatuur 40 graden Celsius bereikte, sloot de punt van de grijper zich om de zalmkuit vast te pakken. De grijper werd uit het doolhof geleid terwijl hij de zalmkuit vasthield en liet met succes de intacte zalmkuit los op het doelgebied in een punt open toestand, bij kamertemperatuur van 25 graden Celsius. Experimentele zorg moet worden genomen bij het kalibreren van de coördinaatpunten tussen de twee nozzles.
Dit proces vergt veel oefening. Dit specifieke protocol biedt de basis voor verdere significante vooruitgang in de realisatie van nauwkeurig controleerbare, zeer gevoelige en multifunctionele slimme stimuli-responsieve zachte robots.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit manuscript beschrijft een 4D-printstrategie voor het vervaardigen van intelligente, stimuli-responsieve zachte robots. Deze aanpak kan de basis vormen om de realisatie van intelligente, vormveranderende zachte robotsystemen mogelijk te maken, inclusief slimme manipulators, elektronica en gezondheidszorgsystemen.
Belangrijke onderdelen van het onderzoek
Wetenschapsgebied
- Zachte robotica
- 4D-printtechnologie
- Biomedische techniek
Achtergrond
- 4D-printen maakt het mogelijk om materialen te maken die in de loop van de tijd van vorm kunnen veranderen.
- Stimuli-responsieve materialen kunnen reageren op veranderingen in de omgeving.
- Zachte robots hebben toepassingen op verschillende gebieden, inclusief gezondheidszorg.
- Visuele demonstraties verbeteren het begrip van complexe processen.
Doel van het onderzoek
- Om een methode te ontwikkelen voor het maken van intelligente, vormveranderende zachte robots.
- Om toepassingen in gerichte medicijnafgifte en microchirurgie te verkennen.
- Om een protocol te bieden voor het bereiden van hydrogelinkten voor 4D-printen.
Gebruikte methoden
- Bereiding van niet-stimuli-responsieve acrylamide-gebaseerde hydrogelinkten.
- Bereiding van stimuli-responsieve N-isopropylacrylamide-gebaseerde hydrogelinkten.
- Gebruik van een magnetische roerder voor inktenbereiding.
- Implementatie van een tijdsafhankelijk 4D-printproces.
Belangrijkste resultaten
- Het 4D-printproces kan diverse stimuli-responsieve zachte robots creëren.
- Robots kunnen worden vervaardigd in een breed bereik van maten, van millimeters tot centimeters.
- De techniek is toepasbaar op uitdagingen in de gezondheidstechniek.
- Visuele hulpmiddelen zijn cruciaal voor het effectief overbrengen van complexe informatie.
Conclusies
- Deze studie legt de basis voor toekomstige zachte robotsystemen.
- 4D-printen kan gezondheidszorgtoepassingen aanzienlijk bevorderen.
- Er is verder onderzoek nodig om de materialen en processen te optimaliseren.
Veelgestelde vragen
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.
