Методическая статья

Четырехмерная печать чувствительных к стимулам мягких роботов на основе гидрогеля

DOI:

10.3791/64870

⸱

13 января 2023 г.

 ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Эта рукопись описывает стратегию 4D-печати для изготовления интеллектуальных мягких роботов, реагирующих на стимулы. Этот подход может обеспечить основу для облегчения реализации интеллектуальных формотрансформируемых мягких роботизированных систем, включая интеллектуальные манипуляторы, электронику и системы здравоохранения.

Аннотация

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

Настоящий протокол описывает создание четырехмерных (4D), зависящих от времени, изменяющих форму, реагирующих на стимулы мягких роботов с использованием трехмерного (3D) метода биопечати. В последнее время методы 4D-печати широко предлагаются в качестве инновационных новых методов разработки формообразуемых мягких роботов. В частности, 4D-трансформация формы, зависящая от времени, является важным фактором в мягкой робототехнике, поскольку она позволяет выполнять эффективные функции в нужное время и в нужном месте, когда они запускаются внешними сигналами, такими как тепло, рН и свет. В соответствии с этой перспективой материалы, реагирующие на стимулы, включая гидрогели, полимеры и гибриды, могут быть напечатаны для реализации интеллектуальных формообразуемых мягких роботизированных систем. Текущий протокол может быть использован для изготовления термочувствительных мягких захватов, состоящих из гидрогелей на основе N-изопропилакриламида (NIPAM), с общими размерами от миллиметров до сантиметров в длину. Ожидается, что это исследование предоставит новые направления для реализации интеллектуальных мягких роботизированных систем для различных применений в интеллектуальных манипуляторах (например, захваты, приводы и машины для подбора и размещения), системах здравоохранения (например, капсулы с лекарствами, инструменты для биопсии и микрохирургии) и электронике (например, носимые датчики и флюидики).

Введение

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

Разработка чувствительных к стимулам мягких роботов важна как с технической, так и с интеллектуальной точек зрения. Термин чувствительные к стимулам мягкие роботы обычно относится к устройствам / системам, состоящим из гидрогелей, полимеров, эластомеров или гибридов, которые демонстрируют изменения формы в ответ на внешние сигналы, такие как тепло, рН и свет 1,2,3,4. Среди множества реагирующих на стимулы мягких роботов мягкие роботы на основе гидрогеля N-изопропилакриламида (NIPAM) выполняют желаемые задачи или взаимодействия с использованием спонтанного преобразования формы 5,6,7,8. Как правило, гидрогели на основе NIPAM демонстрируют низкую критическую температуру раствора (LCST), а изменения свойств набухания (гидрофильность ниже LCST) и набухания (гидрофобность выше LCST) происходят внутри гидрогелевой системы вблизи физиологических температур между 32 ° C и 36 ° C 9,10. Этот обратимый механизм набухания-набухания вблизи резкой критической точки перехода LCST может генерировать преобразование формы мягких гидрогелевых роботов на основе NIPAM2. В результате термочувствительные гидрогелевые мягкие роботы на основе NIPAM имеют улучшенные операции, такие как ходьба, захват, ползание и зондирование, которые важны в многофункциональных манипуляторах, системах здравоохранения и интеллектуальных датчиках 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.

При изготовлении чувствительных к стимулам мягких роботов широко используются подходы трехмерной (3D) печати с использованием прямого послойного аддитивного процесса22. Различные материалы, такие как пластмассы и мягкие гидрогели, могут быть напечатаны с помощью 3D-печати23,24. В последнее время 4D-печать широко освещается как инновационная техника для создания программируемых мягких роботов 25,26,27,28. Эта 4D-печать основана на 3D-печати, и ключевой характеристикой 4D-печати является то, что 3D-структуры могут менять свои формы и свойства с течением времени. Сочетание 4D-печати и гидрогелей, реагирующих на стимулы, обеспечило еще один инновационный путь для создания интеллектуальных 3D-устройств, которые со временем меняют форму при воздействии соответствующих внешних триггеров стимулов, таких как тепло, рН, свет, магнитные и электрические поля 25,26,27,28 . Разработка этой техники 4D-печати с использованием разнообразных реагирующих на стимулы гидрогелей предоставила возможность для появления формотрансформируемых мягких роботов, которые демонстрируют многофункциональность с улучшенными скоростями отклика и чувствительностью обратной связи.

Это исследование описывает создание термочувствительного мягкого захвата на основе 3D-печати, который отображает трансформацию формы и передвижение. Примечательно, что конкретная описанная процедура может быть использована для изготовления различных многофункциональных мягких роботов с общими размерами от миллиметра до сантиметра. Наконец, ожидается, что этот протокол может быть применен в нескольких областях, включая мягких роботов (например, интеллектуальные приводы и роботы для передвижения), гибкую электронику (например, оптоэлектрические датчики и лабораторию на чипе) и системы здравоохранения (например, капсулы для доставки лекарств, инструменты для биопсии и хирургические устройства).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

Чувствительный к стимулам мягкий захват состоял из трех различных типов гидрогелей: гидрогель на основе акриламида (AAm) без стимуляции, гидрогель на основе термочувствительного N-изопропилакриламида (NIPAM) и магнитный феррогель (рисунок 1). Три гидрогелевые чернила были получены путем модификации ранее опубликованных методов 29,30,31. Данные, представленные в данном исследовании, доступны по запросу соответствующего автора.

1. Приготовление гидрогелевых чернил

  1. Не реагирующие на стимулы гидрогелевые чернила на основе AAm (рисунок 1A)
    1. Разбавляют акриламид (AAm), сшивающий N, N'-метиленбисакриламид (BIS) (см. Таблицу материалов) и фотоинициатор 2-гидрокси-4'-(2-гидроксиэтокси)-2-метилпропиофенон (см. Таблицу материалов) в дистиллированной (DI) воде с помощью магнитной мешалки в течение 24 ч.
    2. Вихрь разбавляющий сдвиг, лапонитовый наноклав RD и флуоресцеиновый O-метакрилатный краситель (см. Таблицу материалов) при 1,150 об/мин в течение не менее 6 ч до полного разбавления.
    3. Приготовьте удельный вес чернил гидрогеля на основе AAm на общие 20 мл основания раствора: 1,576 г AAm, 0,332 г BIS, 1,328 г лаполита RD, 0,166 г фотоинициатора, 0,1 мг NaOH, 0,1 мг флуоресцеина O-метакрилата (см. Таблицу материалов) и 16,594 г воды DI.
    4. После полного разбавления переложите гидрогелевые чернила на основе AAm в пустой картридж для 3D-печати (см. Таблицу материалов) с помощью шприца.
  2. Реагирующие на стимулы гидрогелевые чернила на основе NIPAM (рисунок 1B)
    1. Разбавляйте N-изопропилакриламид (NIPAM), поли-N-изопропилакриламид (PNIPAM) и фотоинициатор (см. Таблицу материалов) в воде DI с помощью магнитной мешалки в течение 24 ч.
    2. Вихревой режущий агент, лапонитовый RD наноклей и флуоресцеин родамин 6G краситель при 1 150 об/мин в течение не менее 6 ч до полного разбавления.
    3. Приготовьте удельный вес гидрогелевых чернил на основе НИПАМ на общую сумму 20 мл основания раствора: 1,692 г НИПАМ, 0,02 г пНИПАМ, 1,354 г лапонита РД, 0,034 г фотоинициатора, 0,1 мг родамина 6 Г (см. Таблицу материалов) и 16,92 г воды DI.
    4. После полного разбавления переложите гидрогелевые чернила на основе NIPAM в пустой картридж для 3D-печати с помощью шприца.
  3. Феррогельные чернила (рисунок 1С)
    1. Приготовьте А-раствор: разбавленный акриламид (AAm) и сшивающий, N, N'-метиленбисакламид (BIS), оксид железа (Fe2O3) и N, N, N', N'-тетраметилэтилендиамин (TMEDA) (см. Таблицу материалов) в воде DI.
    2. Рассмотрим удельный весовой процент (мас.%) материалов: 71% AAm, 3,5% BIS и 25,5% Fe2O3 в 1,2 мл воды DI с 10 мкл ускорителя TMEDA.
    3. Приготовьте B-раствор: Разбавьте 0,8 г персульфата аммония (APS, см. Таблицу материалов) в 10 мл воды DI.
    4. Для полимеризации перенесут 200 мкл А-раствора и 5 мкл В-раствора в микроцентрифужную трубку.
    5. Вихрь микроцентрифужной трубки в течение 20 с.

2. Оптимизация конструкции мягкого гибридного захвата

ПРИМЕЧАНИЕ: Эллиптический мягкий гибридный захват состоит из наружного слоя гидрогеля на основе AAm, внутреннего слоя гидрогеля на основе NIPAM и верхнего слоя феррогеля (рисунок 1D). Общий эллиптический мягкий гибридный захват был создан с использованием программного обеспечения AutoCAD (см. Таблицу материалов).

  1. Двумерная конструкция гидрогелевого слоя на основе AAm
    1. Нарисуйте эллиптическую форму с вертикальной осью 24 мм и горизонтальной осью 20 мм в самой внешней части.
    2. Нарисуйте другую эллиптическую фигуру с вертикальной осью 20,8 мм и горизонтальной осью 16,8 мм с той же центральной точкой, что и фигура, нарисованная на шаге 2.1.1.
    3. Нарисуйте трехточечную дугу, проходящую через точки (−8.24, 2), (0, 6) и (8.24, 2) от центральной точки эллипса.
    4. Обрежьте небольшую верхнюю часть затмения, разделенную дугой.
  2. Двумерная конструкция гидрогелевого слоя на основе NIPAM
    1. Нарисуйте овал с вертикальной осью 20,2 мм и горизонтальной осью 16,4 мм с той же центральной точкой, что и фигура, нарисованная на шаге 2.1.1.
    2. Нарисуйте эллипс с вертикальной осью 16,16 мм и горизонтальной осью 13,12 мм с той же центральной точкой, что и фигура, нарисованная на шаге 2.1.1.
    3. Нарисуйте трехточечную дугу, проходящую через точки (−7,86, 1,83), (0, 5,6) и (7,86, 1,83) от центральной точки эллипса.
    4. Нарисуйте трехточечную дугу, проходящую через точки (−5.47, 1.64), (0, 3.18) и (5.47, 1.64) от центральной точки эллипса.
    5. Обрезают небольшую верхнюю часть эллипсов, разделенные дугами.
    6. Чтобы сделать пьедестал, нарисуйте дугу с двумя точками от центральной точки (−4,75, −2,71) и (4,75, −2,71) в качестве конечных точек и в одной точке от центральной точки (0, -4,59).
  3. Двухмерная конструкция феррогелевого слоя
    1. Нарисуйте трехточечную дугу, проходящую через точки (−7, 4,92), (0, 9,2) и (7, 4,92) от центральной точки эллипса.
    2. Нарисуйте трехточечную дугу, проходящую через точки (−7, 4,92), (0, 7,6) и (7, 4,92) от центральной точки эллипса.
  4. Двухмерная конструкция наконечников захвата
    1. Чтобы сделать захватную часть захвата, вырежьте по 0,8 мм с каждой стороны от осевой линии в нижней части эллипса.
  5. Трехмерная гибридная конструкция захвата
    1. Чтобы превратить общую конструкцию гибридного захвата 2D в 3D, выдавите пьедестал отзывчивого геля на 0,8 мм и выдавите неотзывчивый гель, вырезанный овал отзывчивого геля и феррогель на 2,5 мм.

3. Трехмерная печать мягкого гибридного захвата

  1. Сгенерируйте G-код30 для каждой структуры, созданной на шаге 2, с помощью программного обеспечения Slic3r (см. Таблицу материалов) с высотой слоя 0,4 мм, скоростью печати 10 мм-1 и плотностью заполнения 75%. Отредактируйте файл G-кода с помощью двух печатающих головок.
  2. Сохраните файл G-кода на защищенной цифровой (SD) карте и подключите его к 3D-принтеру (см. Таблицу материалов), чтобы сгенерировать пути печати мягкого захвата.
  3. Подключите регулятор давления воздушного насоса к 3D-принтеру.
  4. Выбирайте наконечники сопел диаметром 0,25 мм и 0,41 мм для гидрогеля на основе NIPAM и гидрогеля на основе AAm соответственно.
  5. Подключите гидрогелевой картридж на основе AAm к соплу 1 и гидрогелевой картридж на основе NIPAM к соплу 2.
  6. Проверьте, находятся ли две печатающие головки картриджей в одном и том же положении на оси Z.
  7. Точно откалибруйте координаты X и Y, чтобы избежать перекосов между двумя соплами.
  8. Установите печатное давление на уровне 20-25 кПа для гидрогеля на основе AAm и на уровне 10-15 кПа для гидрогеля на основе NIPAM.
  9. Повторите шаги 3.5-3.8, когда каждый образец будет полностью напечатан (рисунок 2A).

4. УФ-фотоотверждение мягкого гибридного захвата

  1. Перед УФ-фотоотверждением введите феррогелевые чернила, реагирующие на магнитное поле (подготовленные на этапе 1.3), в целевую область тонкого отверстия 3D-печатного мягкого захвата с помощью шприца.
  2. После инъекции феррогеля поместите захватную структуру внутрь камеры источника ультрафиолета с длиной волны 365 нм в течение 6 мин. Зафиксируйте интенсивность ультрафиолетового излучения на уровне 4,9 мДж/с.
  3. После УФ-фотоотверждения перенесите структуру захвата на водяную баню DI в течение не менее 24 ч, пока она не достигнет полностью набухшего равновесного состояния (рисунок 2B-D).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Гидрогель на основе NIPAM был в первую очередь рассмотрен при разработке термочувствительного мягкого захвата из-за его острого LCST, который заставляет его проявлять значительные набухающие свойства 9,10. Кроме того, гидрогель на основе AAm рассматривался как система, не реагирующая на стимулы, для максимизации преобразования формы мягкого гибридного захвата при одновременном снижении расслоения интерфейса во время нескольких процессов нагрева и охлаждения. Кром...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Что касается выбора материала для мягкого гибридного захвата, впервые была подготовлена многочувствительная система материалов, состоящая из гидрогеля на основе AAm, не реагирующего на стимулы, термочувствительного гидрогеля на основе NIPAM и магнитно-чувствительного феррогеля, чтобы позволить мягкому гибридному захвату демонстрировать программируемую локомоцию и трансформацию формы. Благодаря своим термически реагирующим на набухательным свойствам гидрогели на основе NIPAM проявляют изгиб, складывание или сморщивание пр...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

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

Авторы с благодарностью отмечают поддержку гранта Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемого корейским правительством (MSIT) (No 2022R1F1A1074266).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
2-гидрокси-4'-(2-гидроксиэтокси)-2-метилпропиофенонSigma Aldrich410896-50GIrgacure 2959, фотоинициатор
3D WOX 2Xsindohn/a3D принтер для изготовления лабиринта
АкриламидSigma-Aldrich29-007≥ 99%
Компрессор для аэрографаWilTecAF18-2
Персульфат аммонияSigma AldrichA4418
Auto CADAutodeskн/дпрограммное обеспечение для автоматизированного проектирования
файл BLX UV сшивательBIO-LINKU01-133-565
КартриджCELLINKCSC010300102
Цифровое перемешивание Горячее ПластиныCorning6798-420D
Флуоресцеин O-метакрилатСигма Олдрич568864краситель геля AAm
INKREDIBLE+ биопринтерCELLINKн/а
Оксид железа красныйDUKSAN общие наукиI0231
Лапонит RDBYKн/ананоглина
Микроцентрифуга пробиркаSPL60615
МикромешалкаCowie27-00360-08
N, N, N', N'-тетраметилэтилендиаминSigma AldrichT7024-100ML
N, N'-метиленбисакакриламидSigma AldrichM7279≥ 99,5%
N-изопропилакриламидSigma-Aldrich415324-50G
Poly(N-изопропилакриламид)Sigma-Aldrich535311
Rhodamine 6GSigma AldrichR4127краситель NIPAM gel
Slic3r software (v1.2.9)Slic3rn/a программноеобеспечение с открытым исходным кодом для преобразования файла .stl в gcode
Гранулы гидроксида натрияSigma AldrichS5881
Стерильные высокоточные конические сопла для биопечатиCELLINKNZ327000500122 G, 25 G
Шприцдля корейской вакциныK0741538910 CC 21 G (1-1/4 INCH)
Вихревой миксерDAIHANDH.
WVM00030

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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., Gracias, D. H. Transformer hydrogels: A review. Advanced Materials Technologies. 4 (4), 1900043(2019).
  4. Liu, X., Liu, J., Lin, S., Zhao, X. Hydrogel machines. Materials Today. 36, 102-124 (2020).
  5. Hu, Z., Zhang, X., Li, Y. Synthesis and application of modulated polymer gels. Science. 269 (5223), 525-527 (1995).
  6. Klein, Y., Efrati, E., Sharon, E. Shaping of elastic sheets by prescription of non-Euclidean metrics. Science. 315 (5815), 1116-1120 (2007).
  7. Kim, J., Hanna, J. A., Byun, M., Santangelo, C. D., Hayward, R. C. Design responsive buckled surfaces by halftone gel lithography. Science. 335 (6073), 1201-1205 (2012).
  8. Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (5), 3398-3405 (2015).
  9. Schild, H. G. Poly (N-isopropylacrylamide): Experiment, theory and application. Progress in Polymer Science. 17 (2), 163-249 (1992).
  10. Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. -C., Sharma, N., Zhou, Y. Stimuli-responsive polymer gels. Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).
  11. Stuart, M. A., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).
  12. Ionov, L. Biomimetic hydrogel-based actuating systems. Advanced Functional Materials. 23 (36), 4555-4570 (2013).
  13. Ghosh, A., et al. Stimuli-responsive soft untethered grippers for drug delivery and robotic surgery. Frontiers in Mechanical Engineering. 3, 7(2017).
  14. Kirillova, A., Ionov, L. Shape-changing polymers for biomedical applications. Journal of Materials Chemistry B. 7, 1597-1624 (2019).
  15. Le, X., Lu, W., Zhang, J., Chen, T. Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators. Advanced Science. 6 (5), 1801584(2019).
  16. Xu, W., Gracias, D. H. Soft three-dimensional robots with hard two-dimensional materials. ACS Nano. 13 (5), 4883-4892 (2019).
  17. Yoon, C. K. Advances in biomimetic stimuli responsive soft grippers. Nano Convergence. 6, 20(2019).
  18. Lee, Y., Song, W. J., Sun, J. Y. Hydrogel soft robotics. Materials Today Physics. 15, 100258(2020).
  19. Shen, Z., Chen, F., Zhu, X., Yong, K. T., Gu, G. Stimuli-responsive functional materials for soft robotics. Journal of Materials Chemistry B. 8, 8972-8991 (2020).
  20. Kim, H., et al. Shape morphing smart 3D actuator materials for micro soft robot. Materials Today. 41, 243-269 (2020).
  21. Ding, M., et al. Multifunctional soft machines based on stimuli-responsive hydrogels: From freestanding hydrogels to smart integrated systems. Materials Today Advances. 8, 100088(2020).
  22. Wang, X., Jiang, M., Zhou, Z., Gou, J., Hui, D. 3D printing of polymer matrix composites: A review and prospective. Composites Part B: Engineering. 110, 442-458 (2017).
  23. Bartlett, N. W., et al. A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion. Science. 349 (6244), 161-165 (2015).
  24. Wehner, M., et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature. 536, 451-455 (2016).
  25. Tibbits, S. 4D printing: Multi-material shape change. Architectural Design. 84 (1), 116-121 (2014).
  26. Gladman, A. S., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L., Lewis, J. A. Biomimetic 4D printing. Nature Materials. 15, 413-418 (2016).
  27. Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J. A review of 4D printing. Materials & Design. 125, 42-79 (2017).
  28. Ionov, L. 4D biofabrication: Materials, methods, and applications. Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 1800412(2018).
  29. Liu, J., et al. Dual-gel 4D printing of bioinspired tubes. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (8), 8492-8498 (2019).
  30. Son, H., et al. Untethered actuation of hybrid hydrogel gripper via ultrasound. ACS Macro Letters. 9 (12), 1766-1772 (2020).
  31. Ding, Z., Salim, A., Ziaie, B. Squeeze-film hydrogel deposition and dry micropatterning. Analytical Chemistry. 82 (8), 3377-3382 (2010).
  32. Ongaro, F., et al. Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments. Journal of Micro-Bio Robotics. 12, 45-52 (2017).
  33. Scheggi, S., et al. Magnetic motion control and planning of untethered soft grippers using ultrasound image feedback. 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE. , 6156-6161 (2017).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Four Dimensional PrintingStimuli Responsive HydrogelsSoft Robots3D BioprintingShape TransformationThermally Responsive GripperN Isopropylacrylamide HydrogelMagnetic LocomotionHydrogel Ink PreparationUV Photocuring

Похожие статьи