JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Engenharia

Firedimensionel udskrivning af Stimuli-responsive hydrogelbaserede bløde robotter

Published: January 13, 2023
doi:
10.3791/64870
, , , ,
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

Summary

Dette manuskript beskriver en 4D-printstrategi til fremstilling af intelligente stimuli-responsive bløde robotter. Denne tilgang kan danne grundlag for at lette realiseringen af intelligente formtransformerbare bløde robotsystemer, herunder smarte manipulatorer, elektronik og sundhedssystemer.

Abstract

Den nuværende protokol beskriver oprettelsen af firedimensionelle (4D), tidsafhængige, formforanderlige, stimuli-responsive bløde robotter ved hjælp af en tredimensionel (3D) bioprintmetode. For nylig er 4D-printteknikker blevet omfattende foreslået som innovative nye metoder til udvikling af formtransformerbare bløde robotter. Især 4D-tidsafhængig formtransformation er en væsentlig faktor i blød robotik, fordi den tillader effektive funktioner at forekomme på det rigtige tidspunkt og sted, når de udløses af eksterne signaler, såsom varme, pH og lys. I tråd med dette perspektiv kan stimuli-responsive materialer, herunder hydrogeler, polymerer og hybrider, udskrives for at realisere smarte formtransformerbare bløde robotsystemer. Den nuværende protokol kan bruges til at fremstille termisk responsive bløde gribere sammensat af N-isopropylacrylamid (NIPAM) -baserede hydrogeler med samlede størrelser fra millimeter til centimeter i længden. Det forventes, at denne undersøgelse vil give nye retninger for realisering af intelligente bløde robotsystemer til forskellige applikationer i smarte manipulatorer (f.eks. Gribere, aktuatorer og pick-and-place-maskiner), sundhedssystemer (f.eks. Lægemiddelkapsler, biopsiværktøjer og mikrokirurgi) og elektronik (f.eks. Bærbare sensorer og fluidik).

Introduction

Udviklingen af stimuli-responsive bløde robotter er vigtig fra både tekniske og intellektuelle perspektiver. Udtrykket stimuli-responsive bløde robotter refererer generelt til enheder / systemer sammensat af hydrogeler, polymerer, elastomerer eller hybrider, der udviser formændringer som reaktion på eksterne signaler, såsom varme, pH og lys 1,2,3,4. Blandt de mange stimuli-responsive bløde robotter udfører N-isopropylacrylamid (NIPAM) hydrogelbaserede bløde robotter de ønskede opgaver eller interaktioner ved hjælp af spontan formtransformation 5,6,7,8. Generelt udviser de NIPAM-baserede hydrogeler en lav kritisk opløsningstemperatur (LCST), og hævelse (hydrofilicitet under LCST) og deswelling (hydrofobicitet over LCST) egenskabsændringer forekommer inde i hydrogelsystemet nær fysiologiske temperaturer mellem 32 ° C og 36 ° C 9,10. Denne reversible hævelses-deswelling-mekanisme nær LCST’s skarpe kritiske overgangspunkt kan generere formtransformationen af NIPAM-baserede hydrogel bløde robotter2. Som et resultat har termisk responsive NIPAM-baserede hydrogelbløde robotter forbedret driften, såsom at gå, gribe, kravle og føle, hvilket er vigtigt i multifunktionelle manipulatorer, sundhedssystemer og smarte sensorer 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.

Ved fremstilling af stimuli-responsive bløde robotter er tredimensionelle (3D) printmetoder blevet anvendt i vid udstrækning ved hjælp af en direkte lag-for-lag additiv proces22. En række forskellige materialer, såsom plast og bløde hydrogeler, kan printes med 3D-print23,24. For nylig er 4D-udskrivning blevet fremhævet som en innovativ teknik til at skabe formprogrammerbare bløde robotter25,26,27,28. Dette 4D-print er baseret på 3D-print, og det vigtigste kendetegn ved 4D-print er, at 3D-strukturerne kan ændre deres former og egenskaber over tid. Kombinationen af 4D-udskrivning og stimuli-responsive hydrogeler har givet en anden innovativ rute til at skabe smarte 3D-enheder, der ændrer form over tid, når de udsættes for passende eksterne stimulusudløsere, såsom varme, pH, lys og magnetiske og elektriske felter25,26,27,28 . Udviklingen af denne 4D-printteknik ved hjælp af forskellige stimuli-responsive hydrogeler har givet mulighed for fremkomsten af formtransformerbare bløde robotter, der viser multifunktionalitet med forbedrede responshastigheder og feedbackfølsomhed.

Denne undersøgelse beskriver skabelsen af en 3D-printdrevet termisk responsiv blød griber, der viser formtransformation og bevægelse. Især kan den specifikke procedure, der er beskrevet, bruges til at fremstille forskellige multifunktionelle bløde robotter med samlede størrelser, der spænder fra millimeter- til centimeterlængdeskalaer. Endelig forventes det, at denne protokol kan anvendes på flere områder, herunder bløde robotter (f.eks. smarte aktuatorer og bevægelsesrobotter), fleksibel elektronik (f.eks. Optoelektriske sensorer og lab-on-a-chip) og sundhedssystemer (f.eks. Lægemiddelleveringskapsler, biopsiværktøjer og kirurgisk udstyr).

Protocol

Den stimuli-responsive bløde griber var sammensat af tre forskellige typer hydrogeler: ikke-stimuli-responsiv acrylamid (AAm) -baseret hydrogel, termisk responsiv N-isopropylacrylamid (NIPAM) -baseret hydrogel og magnetisk responsiv ferrogel (figur 1). De tre hydrogelblæk blev fremstillet ved at ændre tidligere offentliggjorte metoder 29,30,31. De data, der præsenteres i denne undersøg…

Representative Results

Den NIPAM-baserede hydrogel blev primært overvejet ved design af den termisk responsive bløde griber på grund af dens skarpe LCST, hvilket får den til at udvise betydelige hævelsesnedbrydende egenskaber 9,10. Derudover blev den AAm-baserede hydrogel betragtet som et ikke-stimuli-responsivt system for at maksimere formtransformationen af den bløde hybridgriber og samtidig reducere delamineringen af grænsefladen under flere opvarmnings- og køleprocesser. De…

Discussion

Med hensyn til materialevalg til den bløde hybridgriber blev et multiresponsivt materialesystem sammensat af en ikke-stimuli-responsiv AAm-baseret hydrogel, en termisk responsiv NIPAM-baseret hydrogel og en magnetisk responsiv ferrogel først forberedt for at give den bløde hybridgriber mulighed for at udvise programmerbar bevægelse og formtransformation. På grund af deres termisk responsive hævelsesnedbrydende egenskaber udviser NIPAM-baserede hydrogeler bøjning, foldning eller rynke, når de fremstilles som dobbe…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne anerkender taknemmeligt støtte fra National Research Foundation of Korea (NRF) tilskud finansieret af den koreanske regering (MSIT) (nr. 2022R1F1A1074266).

Materials

2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone Sigma Aldrich 410896-50G Irgacure 2959, photoinitiator
3D WOX 2X sindoh n/a 3D printer for fabricating a maze
Acrylamide Sigma-Aldrich 29-007 ≥99%
Airbrush compressor WilTec AF18-2
Ammonium persulfate Sigma Aldrich A4418
Auto CAD Autodesk n/a software for computer-aided-design file
BLX UV crosslinker BIO-LINK U01-133-565
Cartridge CELLINK CSC010300102
Digital stirring Hot Plates Corning 6798-420D
Fluorescein O-methacrylate Sigma Aldrich 568864 dye of AAm gel
INKREDIBLE+ bioprinter CELLINK n/a
Iron(III) Oxide red DUKSAN general science I0231
Laponite RD BYK n/a nanoclay
Microcentrifuge tube SPL 60615
Micro stirrer bar Cowie 27-00360-08 Φ3×Equation 10 
N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine Sigma Aldrich T7024-100ML
N, N'-methylenebisacrylamide Sigma Aldrich M7279 ≥99.5%
N-isopropylacrylamide Sigma-Aldrich 415324-50G
Poly(N-isopropylacrylamide) Sigma-Aldrich 535311
Rhodamine 6G Sigma Aldrich R4127 dye of NIPAM gel
Slic3r software (v1.2.9) Slic3r n/a open-source software to convert .stl file to gcode
Sodium hydroxide beads Sigma Aldrich S5881
Sterile high-precision conical bioprinting nozzles CELLINK NZ3270005001 22 G, 25 G
Syringe Korea vaccine K07415389 10 CC 21 G (1-1/4 INCH)
Vortex mixer DAIHAN DH.WVM00030
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  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).

Tags

Four-dimensional PrintingStimuli-responsive HydrogelSoft RobotsBioprintingAcrylamide HydrogelN-isopropylacrylamide HydrogelFerrogel3D PrintingG-codeDual Print Heads
check_url/pt/64870?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Lee, Y., Choi, J., Choi, Y., Park, S. M., Yoon, C. Four-Dimensional Printing of Stimuli-Responsive Hydrogel-Based Soft Robots. J. Vis. Exp. (191), e64870, doi:10.3791/64870 (2023).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image