Stampa quadridimensionale di robot morbidi a base di idrogel sensibili agli stimoli

Riepilogo

Questo manoscritto descrive una strategia di stampa 4D per la fabbricazione di robot morbidi intelligenti sensibili agli stimoli. Questo approccio può fornire le basi per facilitare la realizzazione di sistemi robotici morbidi trasformabili in forma intelligente, inclusi manipolatori intelligenti, elettronica e sistemi sanitari.

Abstract

Il presente protocollo descrive la creazione di robot morbidi quadridimensionali (4D), dipendenti dal tempo, mutabili dalla forma, sensibili agli stimoli utilizzando un metodo di bio-stampa tridimensionale (3D). Recentemente, le tecniche di stampa 4D sono state ampiamente proposte come nuovi metodi innovativi per lo sviluppo di robot morbidi trasformabili dalla forma. In particolare, la trasformazione della forma dipendente dal tempo 4D è un fattore essenziale nella robotica morbida perché consente alle funzioni efficaci di verificarsi al momento e nel luogo giusto quando innescate da segnali esterni, come calore, pH e luce. In linea con questa prospettiva, i materiali sensibili agli stimoli, tra cui idrogel, polimeri e ibridi, possono essere stampati per realizzare sistemi robotici morbidi trasformabili in modo intelligente. L'attuale protocollo può essere utilizzato per fabbricare pinze morbide termicamente sensibili composte da idrogel a base di N-isopropilacrilammide (NIPAM), con dimensioni complessive che vanno da millimetri a centimetri di lunghezza. Si prevede che questo studio fornirà nuove direzioni per la realizzazione di sistemi robotici morbidi intelligenti per varie applicazioni in manipolatori intelligenti (ad esempio, pinze, attuatori e macchine pick-and-place), sistemi sanitari (ad esempio, capsule di farmaci, strumenti per biopsia e microchirurgia) ed elettronica (ad esempio, sensori indossabili e fluidica).

Introduzione

Lo sviluppo di robot morbidi sensibili agli stimoli è importante sia dal punto di vista tecnico che intellettuale. Il termine robot morbidi sensibili agli stimoli si riferisce generalmente a dispositivi / sistemi composti da idrogel, polimeri, elastomeri o ibridi che mostrano cambiamenti di forma in risposta a segnali esterni, come calore, pH e luce 1,2,3,4. Tra i molti robot morbidi sensibili agli stimoli, i robot morbidi a base di idrogel N-isopropilacrilammide (NIPAM) eseguono i compiti o le interazioni desiderati utilizzando la trasformazione spontanea della forma 5,6,7,8. Generalmente, gli idrogel a base di NIPAM presentano una bassa temperatura critica della soluzione (LCST) e gonfiore (idrofilia al di sotto della LCST) e degonfiamento (idrofobicità sopra l'LCST) cambiamenti di proprietà si verificano all'interno del sistema idrogel vicino a temperature fisiologiche tra 32 ° C e 36 ° C ^9,10. Questo meccanismo reversibile di rigonfiamento-degonfiore vicino al punto di transizione critico acuto dell'LCST può generare la trasformazione della forma dei robot morbidi in idrogel a base di NIPAM². Di conseguenza, i robot morbidi in idrogel a base di NIPAM termicamente reattivi hanno migliorato le operazioni, come camminare, afferrare, strisciare e rilevare, che sono importanti nei manipolatori multifunzionali, nei sistemi sanitari e nei sensori intelligenti 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17^, 18,19,20,21.

Nella fabbricazione di robot morbidi sensibili agli stimoli, gli approcci di stampa tridimensionale (3D) sono stati ampiamente impiegati utilizzando un processo additivo diretto strato per strato²². Una varietà di materiali, come plastica e idrogel morbidi, può essere stampata con la stampa 3D^23,24. Recentemente, la stampa 4D è stata ampiamente evidenziata come una tecnica innovativa per la creazione di robot morbidi programmabili in forma^25,26,27,28. Questa stampa 4D si basa sulla stampa 3D e la caratteristica principale della stampa 4D è che le strutture 3D possono cambiare le loro forme e proprietà nel tempo. La combinazione di stampa 4D e idrogel sensibili agli stimoli ha fornito un altro percorso innovativo per creare dispositivi 3D intelligenti che cambiano forma nel tempo quando esposti a trigger di stimolo esterni appropriati, come calore, pH, luce e campi magnetici ed elettrici^25,26,27,28 . Lo sviluppo di questa tecnica di stampa 4D utilizzando diversi idrogel sensibili agli stimoli ha fornito un'opportunità per l'emergere di robot morbidi trasformabili in forma che mostrano multifunzionalità con velocità di risposta e sensibilità di feedback migliorate.

Questo studio descrive la creazione di una pinza morbida termicamente reattiva guidata dalla stampa 3D che visualizza la trasformazione della forma e la locomozione. In particolare, la procedura specifica descritta può essere utilizzata per fabbricare vari robot morbidi multifunzionali con dimensioni complessive che vanno dal millimetro al centimetro scale di lunghezza. Infine, si prevede che questo protocollo possa essere applicato in diversi campi, tra cui robot morbidi (ad esempio, attuatori intelligenti e robot di locomozione), elettronica flessibile (ad esempio, sensori optoelettrici e lab-on-a-chip) e sistemi sanitari (ad esempio, capsule di somministrazione di farmaci, strumenti per biopsia e dispositivi chirurgici).

Protocollo

La pinza morbida sensibile agli stimoli era composta da tre diversi tipi di idrogel: idrogel a base di acrilammide (AAm) non sensibile agli stimoli, idrogel a base di N-isopropilacrilammide (NIPAM) termicamente sensibile e ferrogel magnetico sensibile (Figura 1). I tre inchiostri idrogel sono stati preparati modificando i metodi precedentemente pubblicati 29,30,31. I dati presentati in questo studio sono disponibili su richiesta presso l'autore corrispondente.

1. Preparazione di inchiostri idrogel

1. Inchiostri idrogel a base di AAm non sensibili agli stimoli (Figura 1A)
   1. Diluire l'acrilammide (AAm), il reticolante N, N'-metilenebisacrilammide (BIS) (vedi tabella dei materiali) e il fotoiniziatore 2-idrossi-4'-(2-idrossietossi)-2-metilpropiofenone (vedi tabella dei materiali) in acqua distillata (DI) utilizzando un agitatore magnetico per 24 ore.
   2. Vortice l'agente diluente al taglio, la nanoargilla RD di laponite e il colorante fluoresceina O-metacrilato (vedi Tabella dei materiali) a 1.150 giri / min per almeno 6 ore fino a quando non si diluiscono completamente.
   3. Preparare pesi specifici di inchiostro idrogel a base di AAm per un totale di 20 ml di base della soluzione: 1,576 g di AAm, 0,332 g di BIS, 1,328 g di laponite RD, 0,166 g di fotoiniziatore, 0,1 mg di NaOH, 0,1 mg di fluoresceina O-metacrilato (vedi Tabella dei materiali) e 16,594 g di acqua DI.
   4. Dopo la diluizione totale, trasferire l'inchiostro idrogel a base di AAm in una cartuccia di stampa 3D vuota (vedere la tabella dei materiali) utilizzando una siringa.
2. Inchiostri idrogel a base NIPAM sensibili agli stimoli (Figura 1B)
   1. Diluire l'N-isopropilacrilammide (NIPAM), il poli-N-isopropilacrilammide (PNIPAM) e il fotoiniziatore (vedere Tabella dei materiali) in acqua DI utilizzando un agitatore magnetico per 24 ore.
   2. Vortex l'agente diluente di taglio, laponite RD nanoclay e fluoresceina rodamina 6G colorare a 1.150 giri / min per almeno 6 ore fino a quando non si diluiscono completamente.
   3. Preparare pesi specifici di inchiostro idrogel a base di NIPAM per un totale di 20 ml di base della soluzione: 1,692 g di NIPAM, 0,02 g di pNIPAM, 1,354 g di laponite RD, 0,034 g di fotoiniziatore, 0,1 mg di rodamina 6G (vedere Tabella dei materiali) e 16,92 g di acqua DI.
   4. Dopo la completa diluizione, trasferire l'inchiostro idrogel a base di NIPAM in una cartuccia di stampa 3D vuota utilizzando una siringa.
3. Inchiostri ferrogel (Figura 1C)
   1. Preparare la soluzione A: acrilammide diluita (AAm) e reticolante, N, N'-metilenebisacrilammide (BIS), ossido ferrico (Fe₂O₃) e N, N, N', N'-tetrametiletilendiammina (TMEDA) (vedi tabella dei materiali) in acqua DI.
   2. Si consideri la percentuale di peso specifico (wt%) dei materiali: 71% AAm, 3,5% BIS e 25,5% Fe 2 O₃ in_1,2mL di acqua DI con 10 μL di acceleratore TMEDA.
   3. Preparare la soluzione B: diluire 0,8 g di persolfato di ammonio (APS; vedere Tabella dei materiali) in 10 ml di acqua AI.
   4. Per la polimerizzazione, trasferire 200 μL della soluzione A e 5 μL della soluzione B in una provetta per microcentrifuga.
   5. Vortice il tubo della microcentrifuga per 20 s.

2. Ottimizzazione del design della pinza ibrida morbida

NOTA: La pinza ellittica ibrida morbida è composta da uno strato esterno di idrogel a base di AAm, uno strato interno di idrogel a base di NIPAM e uno strato superiore di ferrogel (Figura 1D). La pinza ibrida morbida ellittica complessiva è stata creata utilizzando il software AutoCAD (vedere Tabella dei materiali).

1. Design bidimensionale dello strato di idrogel a base di AAm
   1. Disegna una forma ellittica con un asse verticale di 24 mm e un asse orizzontale di 20 mm nella parte più esterna.
   2. Disegnate un'altra forma ellittica con un asse verticale di 20,8 mm e un asse orizzontale di 16,8 mm con lo stesso punto centrale della forma disegnata nel punto 2.1.1.
   3. Disegnate un arco di tre punti che passi attraverso i punti (−8,24, 2), (0, 6) e (8,24, 2) lontano dal punto centrale dell'ellisse.
   4. Rifilate la piccola parte superiore dell'eclissi divisa dall'arco.
2. Design bidimensionale dello strato di idrogel a base NIPAM
   1. Disegnate un ovale con un asse verticale di 20,2 mm e un asse orizzontale di 16,4 mm con lo stesso punto centrale della forma disegnata nel punto 2.1.1.
   2. Disegnate un'ellisse con un asse verticale di 16,16 mm e un asse orizzontale di 13,12 mm con lo stesso punto centrale della forma disegnata nel punto 2.1.1.
   3. Disegnate un arco di tre punti che passi attraverso i punti (−7,86, 1,83), (0, 5,6) e (7,86, 1,83) lontano dal punto centrale dell'ellisse.
   4. Disegnate un arco di tre punti che passi attraverso i punti (−5,47, 1,64), (0, 3,18) e (5,47, 1,64) lontano dal punto centrale dell'ellisse.
   5. Taglia la piccola parte superiore delle ellissi divisa dagli archi.
   6. Per creare un piedistallo, disegna un arco con due punti di distanza dal punto centrale a (-4,75, −2,71) e (4,75, −2,71) come entrambi i punti finali e un punto lontano dal punto centrale a (0, -4,59).
3. Design bidimensionale dello strato di ferrogel
   1. Disegnate un arco di tre punti che passi attraverso i punti (-7, 4,92), (0, 9,2) e (7, 4,92) lontano dal punto centrale dell'ellisse.
   2. Disegnate un arco di tre punti che passi attraverso i punti (-7, 4,92), (0, 7,6) e (7, 4,92) lontano dal punto centrale dell'ellisse.
4. Design bidimensionale delle punte della pinza
   1. Per rendere la parte di presa della pinza, tagliare 0,8 mm da ciascun lato dalla linea centrale nella parte inferiore dell'ellisse.
5. Design della pinza ibrida tridimensionale
   1. Per trasformare il design complessivo della pinza ibrida 2D in 3D, estrudere il piedistallo del gel reattivo di 0,8 mm ed estrudere il gel non reattivo, l'ovale tagliato del gel reattivo e il ferrogel di 2,5 mm.

3. Stampa tridimensionale della pinza ibrida morbida

1. Generare un G-code³⁰ per ogni struttura creata nella fase 2 utilizzando il software Slic3r (vedi Tabella dei materiali) con un'altezza dello strato di 0,4 mm, una velocità di stampa di 10 ^mm-1 e una densità di riempimento del 75%. Modificare il file G-code utilizzando due testine di stampa.
2. Salvare il file G-code su una scheda Secure Digital (SD) e collegarlo alla stampante 3D (vedere Tabella dei materiali) per generare i percorsi di stampa della pinza morbida.
3. Collegare un controllo della pressione della pompa dell'aria alla stampante 3D.
4. Scegli le punte degli ugelli con diametri di 0,25 mm e 0,41 mm rispettivamente per l'idrogel a base di NIPAM e l'idrogel a base di AAm.
5. Collegare la cartuccia di idrogel a base di AAm all'ugello 1 e la cartuccia di idrogel a base di NIPAM all'ugello 2.
6. Controllare se le due testine di stampa delle cartucce si trovano nella stessa posizione sull'asse z.
7. Calibrare con precisione le coordinate X e Y per evitare disallineamenti tra i due ugelli.
8. Impostare la pressione di stampa a 20-25 KPa per l'idrogel a base di AAm e a 10-15 KPa per l'idrogel a base di NIPAM.
9. Ripetere i passaggi 3.5-3.8 quando ogni campione è completamente stampato (Figura 2A).

4. Fotopolimerizzazione UV della pinza ibrida morbida

1. Prima della fotopolimerizzazione UV, iniettare gli inchiostri ferrogel sensibili al campo magnetico (preparati nel passaggio 1.3) nell'area del foro sottile mirata della pinza morbida stampata in 3D utilizzando una siringa.
2. Dopo l'iniezione del ferrogel, posizionare la struttura della pinza all'interno di una camera della sorgente UV con una lunghezza d'onda di 365 nm per 6 minuti. Fissare l'intensità della luce UV a 4,9 mJ/s.
3. Dopo la fotopolimerizzazione UV, trasferire la struttura della pinza in un bagno d'acqua DI per almeno 24 ore fino a raggiungere uno stato di equilibrio completamente gonfio (Figura 2B-D).

Risultati

L'idrogel a base di NIPAM è stato considerato principalmente durante la progettazione della pinza morbida termicamente reattiva grazie al suo LCST affilato, che lo fa esibire significative proprietà di rigonfiamento e rigonfiamento ^9,10. Inoltre, l'idrogel a base di AAm è stato considerato come un sistema non sensibile agli stimoli per massimizzare la trasformazione della forma della pinza ibrida morbida, riducendo al contempo la delaminazione dell'interfaccia...

Discussione

In termini di selezione del materiale per la pinza ibrida morbida, è stato preparato per la prima volta un sistema di materiali multi-reattivo composto da un idrogel a base di AAm non sensibile agli stimoli, un idrogel a base di NIPAM termicamente reattivo e un ferrogel magnetico sensibile per consentire alla pinza ibrida morbida di mostrare locomozione programmabile e trasformazione della forma. A causa delle loro proprietà di rigonfiamento e rigonfiamento termicamente reattive, gli idrogel a base di NIPAM mostrano fl...

Materiali

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