Vierdimensionaal printen van stimuli-responsieve hydrogel-gebaseerde zachte robots
Summary
Dit manuscript beschrijft een 4D-printstrategie voor het fabriceren van intelligente stimuli-responsieve zachte robots. Deze aanpak kan de basis vormen voor de realisatie van intelligente vorm-transformeerbare zachte robotsystemen, waaronder slimme manipulatoren, elektronica en gezondheidszorgsystemen.
Abstract
Het huidige protocol beschrijft de creatie van vierdimensionale (4D), tijdsafhankelijke, vormveranderlijke, stimuli-responsieve zachte robots met behulp van een driedimensionale (3D) bio-printmethode. Onlangs zijn 4D-printtechnieken uitgebreid voorgesteld als innovatieve nieuwe methoden voor het ontwikkelen van vorm-transformeerbare zachte robots. Met name 4D-tijdsafhankelijke vormtransformatie is een essentiële factor in zachte robotica omdat het effectieve functies op het juiste moment en op de juiste plaats mogelijk maakt wanneer deze worden geactiveerd door externe signalen, zoals warmte, pH en licht. In lijn met dit perspectief kunnen stimuli-responsieve materialen, waaronder hydrogels, polymeren en hybriden, worden geprint om slimme vorm-transformeerbare zachte robotsystemen te realiseren. Het huidige protocol kan worden gebruikt om thermisch responsieve soft grippers te fabriceren die zijn samengesteld uit op N-isopropylacrylamide (NIPAM) gebaseerde hydrogels, met totale afmetingen variërend van millimeters tot centimeters lang. Verwacht wordt dat deze studie nieuwe richtingen zal bieden voor het realiseren van intelligente zachte robotsystemen voor verschillende toepassingen in slimme manipulatoren (bijv. grijpers, actuatoren en pick-and-place-machines), gezondheidszorgsystemen (bijv. Medicijncapsules, biopsietools en microsurgeries) en elektronica (bijv. Draagbare sensoren en fluidics).
Introduction
De ontwikkeling van prikkelgevoelige zachte robots is belangrijk vanuit zowel technisch als intellectueel perspectief. De term stimuli-responsieve zachte robots verwijst over het algemeen naar apparaten / systemen die zijn samengesteld uit hydrogels, polymeren, elastomeren of hybriden die vormveranderingen vertonen als reactie op externe signalen, zoals warmte, pH en licht 1,2,3,4. Onder de vele stimuli-responsieve zachte robots, N-isopropylacrylamide (NIPAM) hydrogel-gebaseerde zachte robots voeren de gewenste taken of interacties uit met behulp van spontane vormtransformatie 5,6,7,8. Over het algemeen vertonen de op NIPAM gebaseerde hydrogels een lage kritische oplossingstemperatuur (LCST) en zwelling (hydrofieliteit onder de LCST) en deswelling (hydrofobiciteit boven de LCST) eigenschapsveranderingen treden op in het hydrogelsysteem in de buurt van fysiologische temperaturen tussen 32 °C en 36 °C 9,10. Dit omkeerbare zwelling-ontziltingsmechanisme in de buurt van het scherpe kritische overgangspunt van de LCST kan de vormtransformatie van nipam-gebaseerde hydrogel zachte robotsgenereren 2. Als gevolg hiervan hebben thermisch responsieve NIPAM-gebaseerde hydrogel zachte robots verbeterde operaties, zoals lopen, grijpen, kruipen en detecteren, die belangrijk zijn in multifunctionele manipulatoren, gezondheidszorgsystemen en slimme sensoren 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Bij de fabricage van stimuli-responsieve zachte robots zijn driedimensionale (3D) printbenaderingen op grote schaal gebruikt met behulp van een direct laag-voor-laag additief proces22. Een verscheidenheid aan materialen, zoals kunststoffen en zachte hydrogels, kan worden geprint met 3D-printen23,24. Onlangs is 4D-printen uitgebreid benadrukt als een innovatieve techniek voor het creëren van vormprogrammeerbare zachte robots 25,26,27,28. Dit 4D-printen is gebaseerd op 3D-printen en het belangrijkste kenmerk van 4D-printen is dat de 3D-structuren hun vormen en eigenschappen in de loop van de tijd kunnen veranderen. De combinatie van 4D-printen en stimuli-responsieve hydrogels heeft een andere innovatieve route geboden om slimme 3D-apparaten te creëren die in de loop van de tijd van vorm veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan geschikte externe stimulustriggers, zoals warmte, pH, licht en magnetische en elektrische velden 25,26,27,28 . De ontwikkeling van deze 4D-printtechniek met behulp van diverse stimuli-responsieve hydrogels heeft een kans geboden voor de opkomst van vormtransformatieerbare zachte robots die multifunctionaliteit weergeven met verbeterde responssnelheden en feedbackgevoeligheid.
Deze studie beschrijft de creatie van een 3D-printgestuurde thermisch responsieve soft gripper die vormtransformatie en voortbeweging weergeeft. Met name kan de beschreven specifieke procedure worden gebruikt om verschillende multifunctionele zachte robots te fabriceren met totale afmetingen variërend van de millimeter- tot centimeterlengteschalen. Ten slotte wordt verwacht dat dit protocol op verschillende gebieden kan worden toegepast, waaronder zachte robots (bijv. Slimme actuatoren en voortbewegingsrobots), flexibele elektronica (bijv. Opto-elektrische sensoren en lab-on-a-chip) en gezondheidszorgsystemen (bijv. Capsules voor medicijnafgifte, biopsietools en chirurgische apparaten).
Protocol
Representative Results
Discussion
In termen van materiaalkeuze voor de soft hybrid gripper, werd een multi-responsief materiaalsysteem bestaande uit een niet-stimuli-responsieve AAm-gebaseerde hydrogel, een thermisch responsieve NIPAM-gebaseerde hydrogel en een magnetisch-responsieve ferrogel voor het eerst voorbereid om de zachte hybride grijper programmeerbare voortbeweging en vormtransformatie te laten vertonen. Vanwege hun thermisch responsieve zwelling-ontzwwellingseigenschappen vertonen op NIPAM gebaseerde hydrogels buiging, vouwing of rimpeling wa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen dankbaar de steun van de National Research Foundation of Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (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 |
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).
