Impresión en cuatro dimensiones de robots blandos a base de hidrogel sensibles a estímulos
Summary
Este manuscrito describe una estrategia de impresión 4D para fabricar robots blandos inteligentes sensibles a estímulos. Este enfoque puede proporcionar la base para facilitar la realización de sistemas robóticos blandos inteligentes transformables en forma, incluidos manipuladores inteligentes, electrónica y sistemas de atención médica.
Abstract
El presente protocolo describe la creación de robots blandos cuatridimensionales (4D), dependientes del tiempo, cambiantes y sensibles a estímulos utilizando un método de bioimpresión tridimensional (3D). Recientemente, las técnicas de impresión 4D se han propuesto ampliamente como nuevos métodos innovadores para desarrollar robots blandos transformables en forma. En particular, la transformación de la forma 4D dependiente del tiempo es un factor esencial en la robótica blanda porque permite que las funciones efectivas ocurran en el momento y lugar adecuados cuando se activan por señales externas, como el calor, el pH y la luz. En línea con esta perspectiva, se pueden imprimir materiales sensibles a estímulos, incluidos hidrogeles, polímeros e híbridos, para realizar sistemas robóticos blandos inteligentes transformables en forma. El protocolo actual se puede utilizar para fabricar pinzas blandas térmicamente sensibles compuestas de hidrogeles a base de N-isopropilacrilamida (NIPAM), con tamaños totales que van desde milímetros hasta centímetros de longitud. Se espera que este estudio proporcione nuevas direcciones para realizar sistemas robóticos blandos inteligentes para diversas aplicaciones en manipuladores inteligentes (por ejemplo, pinzas, actuadores y máquinas de recoger y colocar), sistemas de atención médica (por ejemplo, cápsulas de medicamentos, herramientas de biopsia y microcirugías) y electrónica (por ejemplo, sensores portátiles y fluidos).
Introduction
El desarrollo de robots blandos sensibles a estímulos es importante tanto desde el punto de vista técnico como intelectual. El término robots blandos sensibles a estímulos generalmente se refiere a dispositivos / sistemas compuestos de hidrogeles, polímeros, elastómeros o híbridos que exhiben cambios de forma en respuesta a señales externas, como calor, pH y luz 1,2,3,4. Entre los muchos robots blandos sensibles a estímulos, los robots blandos basados en hidrogel de N-isopropilacrilamida (NIPAM) realizan las tareas o interacciones deseadas utilizando la transformación espontánea de formas 5,6,7,8. En general, los hidrogeles basados en NIPAM exhiben una baja temperatura crítica de solución (LCST), y la hinchazón (hidrofilicidad por debajo del LCST) y la deshinchazón (hidrofobicidad por encima del LCST) ocurren cambios en las propiedades dentro del sistema de hidrogel cerca de temperaturas fisiológicas entre 32 °C y 36 °C 9,10. Este mecanismo reversible de hinchamiento-hinchamiento cerca del punto crítico de transición agudo del LCST puede generar la transformación de la forma de los robots blandos de hidrogel basados en NIPAM2. Como resultado, los robots blandos de hidrogel basados en NIPAM térmicamente sensibles han mejorado las operaciones, como caminar, agarrar, gatear y detectar, que son importantes en manipuladores multifuncionales, sistemas de atención médica y sensores inteligentes 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
En la fabricación de robots blandos sensibles a estímulos, los enfoques de impresión tridimensional (3D) se han empleado ampliamente utilizando un proceso aditivo directo capa por capa22. Una variedad de materiales, como plásticos e hidrogeles blandos, se pueden imprimir con impresión3D 23,24. Recientemente, la impresión 4D ha sido ampliamente destacada como una técnica innovadora para crear robots blandos programables con forma25,26,27,28. Esta impresión 4D se basa en la impresión 3D, y la característica clave de la impresión 4D es que las estructuras 3D pueden cambiar sus formas y propiedades con el tiempo. La combinación de impresión 4D e hidrogeles sensibles a estímulos ha proporcionado otra ruta innovadora para crear dispositivos 3D inteligentes que cambian de forma con el tiempo cuando se exponen a desencadenantes de estímulos externos apropiados, como calor, pH, luz y campos magnéticos y eléctricos25,26,27,28 . El desarrollo de esta técnica de impresión 4D utilizando diversos hidrogeles sensibles a estímulos ha brindado una oportunidad para la aparición de robots blandos transformables en forma que muestran multifuncionalidad con velocidades de respuesta mejoradas y sensibilidad de retroalimentación.
Este estudio describe la creación de una pinza suave térmicamente sensible impulsada por impresión 3D que muestra la transformación de la forma y la locomoción. En particular, el procedimiento específico descrito se puede utilizar para fabricar varios robots blandos multifuncionales con tamaños totales que van desde las escalas de longitud milimétrica a centimétrica. Finalmente, se espera que este protocolo se pueda aplicar en varios campos, incluidos robots blandos (por ejemplo, actuadores inteligentes y robots de locomoción), electrónica flexible (por ejemplo, sensores optoeléctricos y lab-on-a-chip) y sistemas de atención médica (por ejemplo, cápsulas de administración de medicamentos, herramientas de biopsia y dispositivos quirúrgicos).
Protocol
Representative Results
Discussion
En términos de selección de materiales para la pinza híbrida blanda, se preparó por primera vez un sistema de material de respuesta múltiple compuesto por un hidrogel a base de AAm que no responde a estímulos, un hidrogel basado en NIPAM térmicamente sensible y un ferrogel de respuesta magnética para permitir que la pinza híbrida suave exhiba locomoción programable y transformación de forma. Debido a sus propiedades de hinchazón-deshinchazón térmicamente sensibles, los hidrogeles a base de NIPAM exhiben fle…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen el apoyo de la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno coreano (MSIT) (No.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× 0 |
| 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 |
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