Impression quadridimensionnelle de robots mous à base d’hydrogel sensibles aux stimuli

Résumé

Ce manuscrit décrit une stratégie d’impression 4D pour la fabrication de robots mous intelligents sensibles aux stimuli. Cette approche peut fournir la base pour faciliter la réalisation de systèmes robotiques souples intelligents transformables en forme, y compris les manipulateurs intelligents, l’électronique et les systèmes de soins de santé.

Résumé

Le présent protocole décrit la création de robots mous quadridimensionnels (4D), dépendants du temps, changeants de forme et sensibles aux stimuli à l’aide d’une méthode de bio-impression tridimensionnelle (3D). Récemment, les techniques d’impression 4D ont été largement proposées comme nouvelles méthodes innovantes pour développer des robots mous transformables en forme. En particulier, la transformation de forme 4D dépendante du temps est un facteur essentiel de la robotique douce, car elle permet aux fonctions efficaces de se produire au bon moment et au bon endroit lorsqu’elles sont déclenchées par des signaux externes, tels que la chaleur, le pH et la lumière. Conformément à cette perspective, des matériaux sensibles aux stimuli, y compris des hydrogels, des polymères et des hybrides, peuvent être imprimés pour réaliser des systèmes robotiques souples transformables en forme intelligente. Le protocole actuel peut être utilisé pour fabriquer des préhenseurs souples thermosensibles composés d’hydrogels à base de N-isopropylacrylamide (NIPAM), avec des tailles globales allant de millimètres à centimètres de longueur. On s’attend à ce que cette étude fournisse de nouvelles orientations pour la réalisation de systèmes robotiques souples intelligents pour diverses applications dans les manipulateurs intelligents (p. ex. pinces, actionneurs et machines de prélèvement et de placement), les systèmes de soins de santé (p. ex. capsules de médicaments, outils de biopsie et microchirurgies) et l’électronique (p. ex. capteurs portables et fluidiques).

Introduction

Le développement de robots mous sensibles aux stimuli est important d’un point de vue technique et intellectuel. Le terme robots mous sensibles aux stimuli fait généralement référence à des dispositifs / systèmes composés d’hydrogels, de polymères, d’élastomères ou d’hybrides qui présentent des changements de forme en réponse à des signaux externes, tels que la chaleur, le pH et la lumière 1,2,3,4. Parmi les nombreux robots mous sensibles aux stimuli, les robots mous à base d’hydrogel N-isopropylacrylamide (NIPAM) effectuent les tâches ou interactions souhaitées en utilisant la transformation spontanée de la forme 5,6,7,8. En général, les hydrogels à base de NIPAM présentent une faible température critique de la solution (LCST) et des changements de propriétés de gonflement (hydrophilie inférieure au LCST) et de gonflement (hydrophobicité supérieure à la LCST) se produisent à l’intérieur du système hydrogel à proximité de températures physiologiques comprises entre 32 °C et 36 °C ^9,10. Ce mécanisme de gonflement-gonflement réversible près du point de transition critique aigu du LCST peut générer la transformation de forme des robots mous hydrogel à base de NIPAM². En conséquence, les robots souples à base d’hydrogel NIPAM thermiquement sensibles ont amélioré les opérations, telles que la marche, la préhension, le rampement et la détection, qui sont importantes dans les manipulateurs multifonctionnels, les systèmes de soins de santé et les capteurs intelligents 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17^, 18,19,20,21.

Dans la fabrication de robots mous sensibles aux stimuli, les approches d’impression tridimensionnelle (3D) ont été largement utilisées à l’aide d’un procédé additif direct couche par couche²². Une variété de matériaux, tels que les plastiques et les hydrogels souples, peuvent être imprimés avec l’impression 3D^23,24. Récemment, l’impression 4D a été largement mise en évidence comme une technique innovante pour créer des robots souples programmables^{par forme 25,26,27,28}. Cette impression 4D est basée sur l’impression 3D, et la principale caractéristique de l’impression 4D est que les structures 3D peuvent changer leurs formes et leurs propriétés au fil du temps. La combinaison de l’impression 4D et des hydrogels sensibles aux stimuli a fourni une autre voie innovante pour créer des dispositifs 3D intelligents qui changent de forme au fil du temps lorsqu’ils sont exposés à des déclencheurs de stimulus externes appropriés, tels que la chaleur, le pH, la lumière et les champs magnétiques et électriques^25,26,27,28 . Le développement de cette technique d’impression 4D utilisant divers hydrogels sensibles aux stimuli a permis l’émergence de robots mous transformables en forme qui affichent une multifonctionnalité avec des vitesses de réponse et une sensibilité de rétroaction améliorées.

Cette étude décrit la création d’une pince souple thermosensible pilotée par impression 3D qui affiche la transformation de la forme et la locomotion. Notamment, la procédure spécifique décrite peut être utilisée pour fabriquer divers robots mous multifonctionnels avec des tailles globales allant du millimètre au centimètre de longueur. Enfin, on s’attend à ce que ce protocole puisse être appliqué dans plusieurs domaines, y compris les robots mous (p. ex., les actionneurs intelligents et les robots de locomotion), l’électronique flexible (p. ex. capteurs optoélectriques et laboratoires sur puce) et les systèmes de soins de santé (p. ex. capsules d’administration de médicaments, outils de biopsie et dispositifs chirurgicaux).

Protocole

La pince souple sensible aux stimuli était composée de trois types d’hydrogels différents : l’hydrogel à base d’acrylamide (AAm) non sensible aux stimuli, l’hydrogel à base d’acrylamide N-isopropylique (NIPAM) thermosensible et le ferrogel sensible magnétique (Figure 1). Les trois encres hydrogel ont été préparées en modifiant les méthodes précédemment publiées 29,30,31. Les données présentées dans cette étude sont disponibles sur demande auprès de l’auteur correspondant.

1. Préparation des encres hydrogel

1. Encres hydrogel AAm non sensibles aux stimuli (Figure 1A)
   1. Diluer l’acrylamide (AAm), le réticulant N, N'-méthylènebisacrylamide (BIS) (voir le tableau des matières) et le photoinitiateur 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyéthoxy)-2-méthylpropiophénone (voir le tableau des matières) dans de l’eau distillée (DI) à l’aide d’un agitateur magnétique pendant 24 h.
   2. Vortex l’agent d’amincissement par cisaillement, la nanoargile de laponite RD et le colorant O-méthacrylate de fluorescéine (voir le tableau des matériaux) à 1 150 tr/min pendant au moins 6 h jusqu’à ce qu’ils se diluent complètement.
   3. Préparer des poids spécifiques d’encre hydrogel à base d’AAm par 20 ml de base de solution : 1,576 g d’AAm, 0,332 g de BIS, 1,328 g de laponite RD, 0,166 g de photoinitiateur, 0,1 mg de NaOH, 0,1 mg de fluorescéine O-méthacrylate (voir le tableau des matières) et 16,594 g d’eau DI.
   4. Après dilution totale, transférer l’encre hydrogel à base d’AAm dans une cartouche d’impression 3D vide (voir Tableau des matériaux) à l’aide d’une seringue.
2. Encres hydrogel à base de NIPAM sensibles aux stimuli (Figure 1B)
   1. Diluer l’acrylamide N-isopropylique (NIPAM), le poly N-isopropyl acrylamide (PNIPAM) et le photoinitiateur (voir le tableau des matériaux) dans de l’eau DI à l’aide d’un agitateur magnétique pendant 24 h.
   2. Vortex l’agent d’amincissement par cisaillement, la nanoargile laponite RD et le colorant fluorescéine rhodamine 6G à 1 150 tr/min pendant au moins 6 h jusqu’à ce qu’ils se diluent complètement.
   3. Préparer des poids spécifiques d’encre hydrogel à base de NIPAM par 20 ml de base de solution : 1,692 g de NIPAM, 0,02 g de pNIPAM, 1,354 g de laponite RD, 0,034 g de photoinitiateur, 0,1 mg de rhodamine 6G (voir le tableau des matières) et 16,92 g d’eau DI.
   4. Après dilution complète, transférer l’encre hydrogel à base de NIPAM dans une cartouche d’impression 3D vide à l’aide d’une seringue.
3. Encres Ferrogel (Figure 1C)
   1. Préparer la solution A : acrylamide dilué (AAm) et agent de réticulation, N, N'-méthylènebisacrylamide (BIS), oxyde ferrique (Fe_2O3) et N, N, N', N'-tétraméthyléthylènediamine (TMEDA) (voir le tableau des matières) dans de l’eau DI.
   2. Considérez le pourcentage pondéral spécifique (poids) des matériaux: 71% AAm, 3,5% BIS et 25,5% Fe 2 O₃ dans_1,2mL d’eau DI avec 10 μL d’accélérateur TMEDA.
   3. Préparer la solution B : Diluer 0,8 g de persulfate d’ammonium (APS, voir le tableau des matières) dans 10 mL d’eau DI.
   4. Pour la polymérisation, transférer 200 μL de la solution A et 5 μL de la solution B dans un tube microcentrifugé.
   5. Vortex le tube microcentrifuge pendant 20 s.

2. Optimisation de la conception de la pince hybride souple

REMARQUE : La pince hybride souple elliptique est composée d’une couche externe d’hydrogel à base d’AAm, d’une couche interne d’hydrogel à base de NIPAM et d’une couche supérieure de ferrogel (Figure 1D). La pince hybride souple elliptique globale a été créée à l’aide du logiciel AutoCAD (voir Tableau des matériaux).

1. Conception bidimensionnelle de couche d’hydrogel à base d’AAm
   1. Dessinez une forme elliptique avec un axe vertical de 24 mm et un axe horizontal de 20 mm à l’extrémité extérieure.
   2. Dessinez une autre forme elliptique avec un axe vertical de 20,8 mm et un axe horizontal de 16,8 mm avec le même point central que la forme dessinée à l’étape 2.1.1.
   3. Dessinez un arc à trois points passant par les points (−8,24, 2), (0, 6) et (8,24, 2) du point central de l’ellipse.
   4. Coupez la petite partie supérieure de l’éclipse divisée par l’arc.
2. Conception bidimensionnelle de couche d’hydrogel à base de NIPAM
   1. Dessinez un ovale avec un axe vertical de 20,2 mm et un axe horizontal de 16,4 mm avec le même point central que la forme dessinée à l’étape 2.1.1.
   2. Dessinez une ellipse avec un axe vertical de 16,16 mm et un axe horizontal de 13,12 mm avec le même point central que la forme dessinée à l’étape 2.1.1.
   3. Dessinez un arc à trois points passant par les points (−7,86, 1,83), (0, 5,6) et (7,86, 1,83) du point central de l’ellipse.
   4. Tracez un arc de trois points passant par les points (−5,47, 1,64), (0, 3,18) et (5,47, 1,64) du point central de l’ellipse.
   5. Coupez la petite partie supérieure des ellipses divisée par les arcs.
   6. Pour créer un piédestal, tracez un arc avec deux points éloignés du point central à (−4,75, −2,71) et (4,75, −2,71) comme deux extrémités et à un point du point central à (0, -4,59).
3. Conception de couche de ferrogel bidimensionnelle
   1. Dessinez un arc à trois points passant par les points (-7, 4,92), (0, 9,2) et (7, 4,92) éloignés du point central de l’ellipse.
   2. Dessinez un arc de trois points passant par les points (−7, 4,92), (0, 7,6) et (7, 4,92) éloignés du point central de l’ellipse.
4. Conception d’embouts de préhension bidimensionnelle
   1. Pour fabriquer la partie de préhension de la pince, coupez 0,8 mm de chaque côté de la ligne médiane au bas de l’ellipse.
5. Conception de pince hybride tridimensionnelle
   1. Pour transformer la conception globale de la pince hybride 2D en 3D, extrudez le piédestal du gel réactif de 0,8 mm et extrudez le gel non réactif, l’ovale coupé du gel réactif et le ferrogel de 2,5 mm.

3. Impression tridimensionnelle de la pince hybride souple

1. Générez un G-code³⁰ pour chaque structure créée à l’étape 2 à l’aide du logiciel Slic3r (voir Tableau des matériaux) avec une hauteur de couche de 0,4 mm, une vitesse d’impression de 10 ^mm-1 et une densité de remplissage de 75%. Modifiez le fichier G-code à l’aide de deux têtes d’impression.
2. Enregistrez le fichier G-code sur une carte numérique sécurisée (SD) et connectez-le à l’imprimante 3D (voir Tableau des matériaux) pour générer les chemins d’impression de la pince souple.
3. Connectez un régulateur de pression de pompe à air à l’imprimante 3D.
4. Choisissez des embouts de buse d’un diamètre de 0,25 mm et 0,41 mm pour l’hydrogel à base de NIPAM et l’hydrogel à base d’AAm, respectivement.
5. Connectez la cartouche d’hydrogel à base d’AAm à la buse 1 et la cartouche d’hydrogel à base de NIPAM à la buse 2.
6. Vérifiez si les deux têtes d’impression des cartouches sont dans la même position sur l’axe z.
7. Calibrez les coordonnées X et Y avec précision pour éviter les désalignements entre les deux buses.
8. Réglez la pression d’impression à 20-25 KPa pour l’hydrogel à base d’AAm et à 10-15 KPa pour l’hydrogel à base de NIPAM.
9. Répétez les étapes 3.5 à 3.8 lorsque chaque échantillon est complètement imprimé (Figure 2A).

4. Photopolymérisation UV de la pince hybride souple

1. Avant la photopolymérisation UV, injectez les encres ferrogel sensibles au champ magnétique (préparées à l’étape 1.3) dans la zone de trou mince ciblée de la pince souple imprimée en 3D à l’aide d’une seringue.
2. Après l’injection du ferrogel, placez la structure de préhension dans une chambre source UV avec une longueur d’onde de 365 nm pendant 6 min. Fixez l’intensité de la lumière UV à 4,9 mJ/s.
3. Après photopolymérisation UV, transférer la structure de la pince dans un bain-marie DI pendant au moins 24 heures jusqu’à ce qu’elle atteigne un état d’équilibre complètement gonflé (figure 2B-D).

Résultats

L’hydrogel à base de NIPAM a été principalement pris en compte lors de la conception de la pince souple thermosensible en raison de son LCST tranchant, ce qui lui confère des propriétés significatives de gonflement-gonflement ^9,10. En outre, l’hydrogel à base d’AAm a été considéré comme un système non sensible aux stimuli pour maximiser la transformation de la forme de la pince hybride souple tout en réduisant le délaminage de l’interface pe...

Discussion

En termes de sélection de matériaux pour la pince hybride souple, un système de matériau multi-réactif composé d’un hydrogel à base d’AAm non sensible aux stimuli, d’un hydrogel à base de NIPAM thermosensible et d’un ferrogel sensible au magnétisme a d’abord été préparé pour permettre à la pince hybride souple de présenter une locomotion programmable et une transformation de forme. En raison de leurs propriétés de gonflement-deswelling thermosensibles, les hydrogels à base de NIPAM présentent...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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