Uyaranlara Duyarlı Hidrojel Tabanlı Yumuşak Robotların Dört Boyutlu Baskısı
Summary
Bu makale, akıllı uyaranlara duyarlı yumuşak robotlar üretmek için bir 4D baskı stratejisini açıklamaktadır. Bu yaklaşım, akıllı manipülatörler, elektronik ve sağlık sistemleri de dahil olmak üzere akıllı şekil dönüştürülebilir yumuşak robotik sistemlerin gerçekleştirilmesini kolaylaştırmak için zemin hazırlayabilir.
Abstract
Mevcut protokol, üç boyutlu (3D) bir biyo-baskı yöntemi kullanılarak dört boyutlu (4D), zamana bağlı, şekil değiştirebilen, uyaranlara duyarlı yumuşak robotların oluşturulmasını açıklamaktadır. Son zamanlarda, 4D baskı teknikleri, şekil dönüştürülebilir yumuşak robotlar geliştirmek için yenilikçi yeni yöntemler olarak kapsamlı bir şekilde önerilmiştir. Özellikle, 4D zamana bağlı şekil dönüşümü, yumuşak robotikte önemli bir faktördür, çünkü ısı, pH ve ışık gibi dış ipuçları tarafından tetiklendiğinde etkili işlevlerin doğru zamanda ve yerde gerçekleşmesine izin verir. Bu bakış açısı doğrultusunda, hidrojeller, polimerler ve hibritler de dahil olmak üzere uyaranlara duyarlı malzemeler, akıllı şekil dönüştürülebilir yumuşak robotik sistemleri gerçekleştirmek için basılabilir. Mevcut protokol, N-izopropilakrilamid (NIPAM) bazlı hidrojellerden oluşan, toplam boyutları milimetreden santimetreye kadar değişen termal olarak duyarlı yumuşak tutucular üretmek için kullanılabilir. Bu çalışmanın, akıllı manipülatörlerde (örneğin, tutucular, aktüatörler ve toplama ve yerleştirme makineleri), sağlık sistemlerinde (örneğin, ilaç kapsülleri, biyopsi araçları ve mikroameliyatlar) ve elektronikte (örneğin, giyilebilir sensörler ve akışkanlar) çeşitli uygulamalar için akıllı yumuşak robotik sistemlerin gerçekleştirilmesi için yeni yönler sağlaması beklenmektedir.
Introduction
Uyaranlara duyarlı yumuşak robotların geliştirilmesi hem teknik hem de entelektüel açıdan önemlidir. Uyaranlara duyarlı yumuşak robotlar terimi genellikle ısı, pH ve ışık 1,2,3,4 gibi dış ipuçlarına yanıt olarak şekil değişiklikleri sergileyen hidrojeller, polimerler, elastomerler veya melezlerden oluşan cihazları / sistemleri ifade eder. Birçok uyarana duyarlı yumuşak robot arasında, N-izopropilakrilamid (NIPAM) hidrojel bazlı yumuşak robotlar, kendiliğinden şekil dönüşümü 5,6,7,8 kullanarak istenen görevleri veya etkileşimleri gerçekleştirir. Genel olarak, NIPAM bazlı hidrojeller düşük bir kritik çözelti sıcaklığı (LCST) sergiler ve hidrojel sisteminde 32 ° C ile 36 ° C 9,10 arasındaki fizyolojik sıcaklıklara yakın şişme (LCST’nin altındaki hidrofilisite) ve şişme (LCST’nin üzerindeki hidrofobiklik) özellik değişiklikleri meydana gelir. LCST’nin keskin kritik geçiş noktasının yakınındaki bu geri dönüşümlü şişme-şişme giderme mekanizması, NIPAM bazlı hidrojel yumuşak robotların şekil dönüşümünü oluşturabilir2. Sonuç olarak, termal olarak duyarlı NIPAM tabanlı hidrojel yumuşak robotlar, çok işlevli manipülatörlerde, sağlık sistemlerinde ve akıllı sensörlerde önemli olan yürüme, kavrama, emekleme ve algılama gibi işlemleri geliştirmiştir 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Uyaranlara duyarlı yumuşak robotların üretiminde, üç boyutlu (3D) baskı yaklaşımları, doğrudan katman katman katkı maddesi süreci22 kullanılarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Plastik ve yumuşak hidrojeller gibi çeşitli malzemeler 3D baskı23,24 ile basılabilir. Son zamanlarda, 4D baskı, şekil programlanabilir yumuşak robotlar25,26,27,28 oluşturmak için yenilikçi bir teknik olarak kapsamlı bir şekilde vurgulanmıştır. Bu 4D baskı, 3D baskıya dayanır ve 4D baskının temel özelliği, 3D yapıların zaman içinde şekillerini ve özelliklerini değiştirebilmesidir. 4D baskı ve uyaranlara duyarlı hidrojellerin kombinasyonu, ısı, pH, ışık ve manyetik ve elektrik alanlar gibi uygun dış uyaran tetikleyicilerine maruz kaldığında zaman içinde şekil değiştiren akıllı 3D cihazlar oluşturmak için başka bir yenilikçi yol sağlamıştır25,26,27,28 . Çeşitli uyaranlara duyarlı hidrojeller kullanan bu 4D baskı tekniğinin geliştirilmesi, gelişmiş tepki hızları ve geri bildirim hassasiyeti ile çok işlevli gösteren şekil dönüştürülebilir yumuşak robotların ortaya çıkması için bir fırsat sağlamıştır.
Bu çalışmada, şekil dönüşümünü ve hareketi gösteren 3D baskı tahrikli termal olarak duyarlı yumuşak tutucunun oluşturulması açıklanmaktadır. Özellikle, açıklanan özel prosedür, milimetreden santimetre uzunluk ölçeklerine kadar değişen genel boyutlara sahip çeşitli çok işlevli yumuşak robotlar üretmek için kullanılabilir. Son olarak, bu protokolün yumuşak robotlar (örneğin, akıllı aktüatörler ve hareket robotları), esnek elektronikler (örneğin, optoelektrik sensörler ve çip üzerinde laboratuvar) ve sağlık sistemleri (örneğin, ilaç dağıtım kapsülleri, biyopsi araçları ve cerrahi cihazlar) dahil olmak üzere çeşitli alanlarda uygulanabilmesi beklenmektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yumuşak hibrit tutucu için malzeme seçimi açısından, uyaranlara duyarlı olmayan AAm bazlı bir hidrojel, termal olarak duyarlı bir NIPAM bazlı hidrojel ve manyetik duyarlı bir ferrogelden oluşan çok duyarlı bir malzeme sistemi, ilk olarak yumuşak hibrit tutucunun programlanabilir hareket ve şekil dönüşümü sergilemesine izin vermek için hazırlanmıştır. Termal olarak duyarlı şişme-şişme giderme özellikleri nedeniyle, NIPAM bazlı hidrojeller, AAm bazlı hidrojeller gibi farklı şişme özell…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Kore hükümeti (MSIT) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibesinin (No.2022R1F1A1074266) desteğini minnetle kabul etmektedir.
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 |
References
- Gracias, D. H. Stimuli responsive self-folding using thin polymer films. Current Opinion in Chemical Engineering. 2 (1), 112-119 (2013).
- Zhang, Y. S., Khademhosseini, A. Advances in engineering hydrogels. Science. 356 (6337), (2017).
- Erol, O., Pantula, A., Liu, W., Gracias, D. H. Transformer hydrogels: A review. Advanced Materials Technologies. 4 (4), 1900043 (2019).
- Liu, X., Liu, J., Lin, S., Zhao, X. Hydrogel machines. Materials Today. 36, 102-124 (2020).
- Hu, Z., Zhang, X., Li, Y. Synthesis and application of modulated polymer gels. Science. 269 (5223), 525-527 (1995).
- Klein, Y., Efrati, E., Sharon, E. Shaping of elastic sheets by prescription of non-Euclidean metrics. Science. 315 (5815), 1116-1120 (2007).
- 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).
- Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (5), 3398-3405 (2015).
- Schild, H. G. Poly (N-isopropylacrylamide): Experiment, theory and application. Progress in Polymer Science. 17 (2), 163-249 (1992).
- Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. -. C., Sharma, N., Zhou, Y. Stimuli-responsive polymer gels. Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).
- Stuart, M. A., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).
- Ionov, L. Biomimetic hydrogel-based actuating systems. Advanced Functional Materials. 23 (36), 4555-4570 (2013).
- Ghosh, A., et al. Stimuli-responsive soft untethered grippers for drug delivery and robotic surgery. Frontiers in Mechanical Engineering. 3, 7 (2017).
- Kirillova, A., Ionov, L. Shape-changing polymers for biomedical applications. Journal of Materials Chemistry B. 7, 1597-1624 (2019).
- Le, X., Lu, W., Zhang, J., Chen, T. Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators. Advanced Science. 6 (5), 1801584 (2019).
- Xu, W., Gracias, D. H. Soft three-dimensional robots with hard two-dimensional materials. ACS Nano. 13 (5), 4883-4892 (2019).
- Yoon, C. K. Advances in biomimetic stimuli responsive soft grippers. Nano Convergence. 6, 20 (2019).
- Lee, Y., Song, W. J., Sun, J. Y. Hydrogel soft robotics. Materials Today Physics. 15, 100258 (2020).
- 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).
- Kim, H., et al. Shape morphing smart 3D actuator materials for micro soft robot. Materials Today. 41, 243-269 (2020).
- 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).
- 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).
- Bartlett, N. W., et al. A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion. Science. 349 (6244), 161-165 (2015).
- Wehner, M., et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature. 536, 451-455 (2016).
- Tibbits, S. 4D printing: Multi-material shape change. Architectural Design. 84 (1), 116-121 (2014).
- Gladman, A. S., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L., Lewis, J. A. Biomimetic 4D printing. Nature Materials. 15, 413-418 (2016).
- Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J. A review of 4D printing. Materials & Design. 125, 42-79 (2017).
- Ionov, L. 4D biofabrication: Materials, methods, and applications. Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 1800412 (2018).
- Liu, J., et al. Dual-gel 4D printing of bioinspired tubes. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (8), 8492-8498 (2019).
- Son, H., et al. Untethered actuation of hybrid hydrogel gripper via ultrasound. ACS Macro Letters. 9 (12), 1766-1772 (2020).
- Ding, Z., Salim, A., Ziaie, B. Squeeze-film hydrogel deposition and dry micropatterning. Analytical Chemistry. 82 (8), 3377-3382 (2010).
- Ongaro, F., et al. Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments. Journal of Micro-Bio Robotics. 12, 45-52 (2017).
- 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).
