Czterowymiarowy druk miękkich robotów na bazie hydrożelu reagujących na bodźce
January 13th, 2023
Ten manuskrypt opisuje strategię druku 4D do produkcji inteligentnych, miękkich robotów reagujących na bodźce. Takie podejście może stanowić podstawę ułatwiającą realizację inteligentnych, miękkich systemów robotycznych z możliwością transformacji kształtu, w tym inteligentnych manipulatorów, elektroniki i systemów opieki zdrowotnej.
Oczekuje się, że przedstawiony protokół wskaże nowe kierunki realizacji inteligentnych, przekształcalnych kształtowo, miękkich systemów robotycznych do różnych zastosowań. Proces drukowania 4D zależny od czasu może tworzyć różnorodne miękkie roboty reagujące na bodźce, o szerokim zakresie rozmiarów, od milimetrów do centymetrów. Ta technika biodruku 4D może być rozszerzona na celowane dostarczanie leków, mikrochirurgię i mniej inwazyjną biopsję w inżynierii opieki zdrowotnej.
Informacje tekstowe mogą powodować niejasności dla czytelników, dlatego demonstracje wizualne są niezbędne, aby pomóc osiągnąć zamierzone rezultaty. Aby przygotować niereagujące na bodźce tusze hydrożelowe na bazie akrylamidu, rozcieńczyć akrylamid, środek sieciujący i fotoinicjator w wodzie dejonizowanej za pomocą mieszadła magnetycznego przez 24 godziny. Aby przygotować tusze hydrożelowe na bazie N-izopropylacrylamidu reagujące na bodźce, rozcieńczyć N-izopropyloakrylamid, N-izopropylolakrylamid propylu i fotoinicjator w wodzie dejonizowanej, używając mieszadła magnetycznego przez 24 godziny.
Następnie dodaj barwnik do żelu akrylowego i żelu N-izopropyloakrylamidu i wiruj środek ścinający, Laponit RD, z prędkością 1150 obrotów na minutę lub co najmniej sześć godzin, aż do całkowitego rozcieńczenia. Następnie postępuj zgodnie z instrukcjami podanymi w tekście, aby przygotować tusz hydrożelowy. Do przygotowania farb ferrogelowych należy najpierw przygotować roztwór A i roztwór B zgodnie z protokołem opisanym w tekście.
Aby przeprowadzić polimeryzację, przenieś 200 mikrolitrów roztworu A i pięć mikrolitrów roztworu B do probówki mikrowirówki i wiruj mieszaninę przez 20 sekund. Korzystając z oprogramowania Slicer, wygeneruj kod G dla każdej konstrukcji utworzonej wcześniej przez optymalizację projektu chwytaka. Przypisz warstwę o wysokości 0,4 milimetra.
Gęstość wypełnienia 75% i prędkość drukowania 10 milimetrów na sekundę. Edytuj plik G code za pomocą dwóch głowic drukujących. Zapisz plik kodu G na bezpiecznej karcie cyfrowej lub karcie SD przed podłączeniem go do drukarki 3D.
Po podłączeniu wkładów hydrożelowych na bazie akrylamidu i N-izopropylacrylamidu do odpowiednich dysz, sprawdź, czy dwie głowice drukujące wkładów znajdują się w tej samej pozycji na osi Z. Następnie dokładnie skalibruj współrzędne X i Y, aby uniknąć niewspółosiowości między dwiema dyszami. Teraz ustaw ciśnienie drukowania na 20 do 25 kilopaskala dla hydrożelu na bazie akrylamidu i na 10 do 15 kilopaskala dla hydrożelu na bazie N-izopropyloakrylamidu.
Powtórz te czynności po całkowitym wydrukowaniu każdej próbki, aby wydrukować następną. Przed fotoutwardzaniem UV wstrzyknij reagujące na pole magnetyczne atramenty ferrogelowe do docelowego cienkiego otworu wydrukowanego w 3D miękkiego chwytaka za pomocą strzykawki. Po wstrzyknięciu ferrożelu należy umieścić strukturę chwytaka w komorze źródła promieniowania UV o długości fali 365 nanometrów na sześć minut.
Po fotoutwardzeniu UV przenieś strukturę chwytaka do dejonizowanej łaźni wodnej na co najmniej 24 godziny, aż osiągnie całkowicie spuchnięty stan równowagi. Miękki chwytak hybrydowy wykonywał zadanie podnoszenia i umieszczania za pomocą aktywowania reagującego termicznie i lokomocji magnetycznej. Gdy temperatura wzrosła powyżej dolnej krytycznej temperatury roztworu lub LCST, hydrożel na bazie N-izopropylokryloamidu pęczniał i kurczył się, zamykając końcówkę chwytaka.
W przeciwieństwie do tego, końcówka chwytaka otwierała się, gdy temperatura spadała poniżej LCST, z powodu pęcznienia hydrożelu na bazie N-izopropylokryloamidu. Chwytak zademonstrował również zadanie typu "podnieś i umieść" w wydrukowanym w 3D labiryncie próbek wypełnionym wodą dejonizowaną. Chwytak w stanie otwartym był prowadzony przez magnes zewnętrzny od pozycji wyjściowej do docelowej ikry łososia.
Gdy temperatura osiągnęła 40 stopni Celsjusza, końcówka chwytaka zamknęła się, aby chwycić ikrę łososia. Chwytak został wyprowadzony z labiryntu podczas trzymania ikry łososia i z powodzeniem uwolnił nienaruszoną ikrę łososia w obszarze docelowym w stanie otwartym, w temperaturze pokojowej 25 stopni Celsjusza. Należy zachować ostrożność doświadczalną podczas kalibracji punktów współrzędnych między dwiema dyszami.
Ten proces wymaga dużo praktyki. Ten konkretny protokół stanowi podstawę dla dalszych znaczących postępów w realizacji precyzyjnie sterowalnych, wysoce czułych i wielofunkcyjnych miękkich robotów reagujących na inteligentne bodźce.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten manuskrypt opisuje strategię druku 4D do wytwarzania inteligentnych, reagujących na bodźce, miękkich robotów. To podejście może stanowić podstawę do umożliwienia realizacji inteligentnych, zmieniających kształt, miękkich systemów robotycznych, w tym inteligentnych manipulatorów, elektroniki i systemów opieki zdrowotnej.
Kluczowe Elementy Badania
Obszar Nauki
- Robotyka miękka
- Technologia druku 4D
- Inżynieria biomedyczna
Tło
- Druk 4D umożliwia tworzenie materiałów, które mogą zmieniać kształt w czasie.
- Materiały reagujące na bodźce mogą reagować na zmiany środowiskowe.
- Roboty miękkie mają zastosowanie w różnych dziedzinach, w tym w opiece zdrowotnej.
- Pokazy wizualne poprawiają zrozumienie złożonych procesów.
Cel Badania
- Opracowanie metody tworzenia inteligentnych, zmieniających kształt, miękkich robotów.
- Eksploracja zastosowań w ukierunkowanym dostarczaniu leków i mikrochirurgii.
- Dostarczenie protokołu przygotowywania atramentów hydrożelowych do druku 4D.
Wykorzystane Metody
- Przygotowanie atramentów hydrożelowych na bazie akryloamidu, niereagujących na bodźce.
- Przygotowanie atramentów hydrożelowych na bazie N-izopropyloakryloamidu, reagujących na bodźce.
- Wykorzystanie mieszadła magnetycznego do przygotowania atramentu.
- Wdrożenie procesu druku 4D zależnego od czasu.
Główne Wyniki
- Proces druku 4D może tworzyć różnorodne, reagujące na bodźce, miękkie roboty.
- Roboty można wytwarzać w szerokim zakresie rozmiarów, od milimetrów do centymetrów.
- Technika jest stosowalna do wyzwań inżynieryjnych w opiece zdrowotnej.
- Pomoc wizualna ma kluczowe znaczenie dla skutecznego przekazywania złożonych informacji.
Wnioski
- To badanie stanowi podstawę dla przyszłych systemów robotyki miękkiej.
- Druk 4D może znacząco przyczynić się do rozwoju aplikacji w opiece zdrowotnej.
- Konieczne są dalsze badania w celu optymalizacji materiałów i procesów.
Najczęściej zadawane pytania
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.
