자극반응형 하이드로겔 기반 소프트 로봇의 4차원 프린팅

요약

이 원고는 지능형 자극 반응형 소프트 로봇을 제작하기 위한 4D 프린팅 전략을 설명합니다. 이 접근 방식은 스마트 매니퓰레이터, 전자 장치 및 의료 시스템을 포함한 지능형 형상 변형 가능한 소프트 로봇 시스템의 실현을 촉진하는 토대를 제공할 수 있습니다.

초록

본 프로토콜은 3차원(3D) 바이오프린팅 방법을 사용하여 4차원(4D), 시간 의존적, 형태 변경 가능, 자극 반응형 소프트 로봇의 생성을 설명합니다. 최근 4D 프린팅 기술은 형상 변형 가능한 소프트 로봇을 개발하기위한 혁신적인 새로운 방법으로 광범위하게 제안되었습니다. 특히 4D 시간 종속 형상 변환은 열, pH 및 빛과 같은 외부 신호에 의해 트리거 될 때 효과적인 기능이 적시에 발생할 수 있기 때문에 소프트 로봇 공학의 필수 요소입니다. 이러한 관점에 따라 하이드로겔, 폴리머, 하이브리드 등 자극반응성 물질을 프린팅하여 스마트 형상 변형 가능한 소프트 로봇 시스템을 구현할 수 있습니다. 전류 프로토콜은 N-이소프로필아크릴아미드(NIPAM) 기반 하이드로겔로 구성된 열 반응성 소프트 그리퍼를 제조하는 데 사용할 수 있으며 전체 크기는 길이가 밀리미터에서 센티미터에 이릅니다. 이 연구는 스마트 매니퓰레이터 (예 : 그리퍼, 액추에이터 및 픽 앤 플레이스 기계), 의료 시스템 (예 : 약물 캡슐, 생검 도구 및 미세 수술) 및 전자 제품 (예 : 웨어러블 센서 및 유체 공학).

서문

자극 반응형 소프트 로봇의 개발은 기술적, 지적 관점 모두에서 중요합니다. 자극 반응형 소프트 로봇이라는 용어는 일반적으로 열, pH^{및 빛과} 같은 외부 신호에 반응하여 모양 변화를 나타내는 하이드로겔, 폴리머, 엘라스토머 또는 하이브리드로 구성된 장치/시스템을 나타냅니다.1,2,3,4. 많은 자극 반응형 소프트 로봇 중에서 N-이소프로필아크릴아미드(NIPAM) 하이드로겔 기반 소프트 로봇은 자발적인 형상 변형 5,6,7,8을 사용하여 원하는 작업 또는 상호 작용을 수행합니다. 일반적으로, NIPAM-계 하이드로겔은 낮은 임계 용액 온도(LCST)를 나타내고, 팽윤(LCST 이하의 친수성) 및 디팽윤(LCST 이상의 소수성) 특성 변화는 32°C와 36°C 사이의 생리학적 온도 근처에서 하이드로겔 시스템 내부에서 발생한다 ^9,10. LCST의 날카로운 임계 전이 점 근처의이 가역적 인 팽창 - 팽창 방지 메커니즘은 NIPAM 기반 하이드로 겔 소프트 로봇²의 형상 변형을 생성 할 수있다. 그 결과, 열반응성 NIPAM 기반 하이드로겔 소프트 로봇은 다기능 매니퓰레이터, 헬스케어 시스템 및^{스마트 센서에서} 중요한 걷기, 잡기, 크롤링, 감지 등의 조작이 개선되었으며, 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17^, 18,19,20,21.

자극 반응형 소프트 로봇의 제조에 있어서, 3차원(3D) 프린팅 접근법은 직접 층별 적층 공정⁽²²)을 사용하여 널리 이용되어 왔다. 플라스틱 및 연질 히드로겔과 같은 다양한 재료가 3D 프린팅(^{23, 24})으로 인쇄될 수 있다. 최근에, 4D 프린팅은 형상-프로그램-프로그램가능한 소프트 로봇(^25,26,27,28)을 만들기 위한 혁신적인 기술로서 광범위하게 강조되고 있다. 이 4D 프린팅은 3D 프린팅을 기반으로하며 4D 프린팅의 주요 특징은 3D 구조가 시간이 지남에 따라 모양과 특성을 변경할 수 있다는 것입니다. 4D 프린팅과 자극 반응성 하이드로겔의 조합은 열, pH, 빛, 자기장 및 전기장과 같은 적절한 외부 자극 유발 요인에 노출될 때 시간이 지남에 따라 모양이 변하는 스마트 3D 장치를 만드는 또 다른 혁신적인 경로를 제공했습니다.^25,26,27,28 . 다양한 자극 반응성 하이드로겔을 사용하는 이 4D 프린팅 기술의 개발은 향상된 응답 속도와 피드백 감도로 다기능을 표시하는 형태 변형 가능한 소프트 로봇의 출현 기회를 제공했습니다.

이 연구에서는 모양 변환 및 이동을 표시하는 3D 프린팅 구동 열 반응형 소프트 그리퍼의 생성에 대해 설명합니다. 특히, 설명 된 특정 절차는 밀리미터에서 센티미터 길이 스케일에 이르는 전체 크기의 다양한 다기능 소프트 로봇을 제작하는 데 활용 될 수 있습니다. 마지막으로, 이 프로토콜은 소프트 로봇(예를 들어, 스마트 액추에이터 및 이동 로봇), 유연한 전자 장치(예를 들어, 광전기 센서 및 랩온-어-칩) 및 의료 시스템(예를 들어, 약물 전달 캡슐, 생검 도구 및 수술 장치)을 포함하는 여러 분야에 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

프로토콜

자극 반응형 소프트 그리퍼는 비자극 반응형 아크릴아미드(AAm) 기반 하이드로겔, 열반응성 N-이소프로필 아크릴아미드(NIPAM) 기반 하이드로겔 및 자기 반응형 페로겔의 세 가지 유형의 하이드로겔로 구성되었습니다(그림 1). 3개의 하이드로겔 잉크는 이전에 공개된 방법 ^29,30,31을 변형하여 제조하였다. 이 연구에서 제시된 데이터는 교신 저자의 요청에 따라 제공됩니다.

1. 하이드로겔 잉크의 제조

1. 비자극 반응성 AAm 기반 하이드로겔 잉크(그림 1A)
   1. 아크릴아미드(AAm), 가교결합제 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(BIS)(재료 표 참조) 및 광개시제 2-히드록시-4'-(2-히드록시에톡시)-2-메틸프로피오페논(재료 표 참조)을 24시간 동안 자기 교반기를 사용하여 증류수(DI)에 희석합니다.
   2. 전단 희석제, 라포 나이트 RD 나노 클레이 및 플루오 레신 O- 메타 크릴 레이트 염료 ( 재료 표 참조)를 완전히 희석 될 때까지 1,150 rpm에서 최소 6 시간 동안 와동시킵니다.
   3. AAm 1.576g, BIS 0.332g, 라포나이트 RD 1.328g, 광개시제 0.166g, NaOH 0.1mg, 플루오레세인 O-메타크릴레이트 0.1mg( 재료 표 참조) 및 DI 물 16.594g의 용액 염기 당 AAm 기반 하이드로겔 잉크의 비중량을 준비합니다.
   4. 전체 희석 후 AAm 기반 하이드로겔 잉크를 주사기를 사용하여 빈 3D 프린팅 카트리지( 재료 표 참조)로 옮깁니다.
2. 자극 반응성 NIPAM 기반 하이드로겔 잉크(그림 1B)
   1. 묽은 N-이소프로필 아크릴아미드(NIPAM), 폴리N-이소프로필 아크릴아미드(PNIPAM) 및 광개시제(재료 표 참조)를 자기 교반기를 사용하여 DI 물에서 24시간 동안 희석합니다.
   2. 전단 희석제, 라포 나이트 RD 나노 클레이 및 플루오 레신 로다 민 6G 염료가 완전히 희석 될 때까지 1,150 rpm에서 최소 6 시간 동안 와동시킵니다.
   3. 용액 염기 총 20mL당 NIPAM 기반 하이드로겔 잉크의 비중을 준비합니다: NIPAM 1.692g, pNIPAM 0.02g, 라포나이트 RD 1.354g, 광개시제 0.034g, 로다민 6G 0.1mg( 재료 표 참조) 및 DI 물 16.92g.
   4. 완전히 희석 된 후 NIPAM 기반 하이드로 겔 잉크를 주사기를 사용하여 빈 3D 프린팅 카트리지로 옮깁니다.
3. 페로겔 잉크(그림 1C)
   1. 희석 아크릴아미드(AAm) 및 가교제, N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(BIS), 산화철(_Fe2O3) 및 N, N,N',N'-테트라메틸에틸렌디아민(TMEDA)(재료 표 참조)을 DI수에서 A-용액 준비합니다.
   2. 재료의 비중량 퍼센트(wt%)를 고려하십시오: 10μL의 TMEDA 촉진제를 사용하여 1.2mL의 DI 물에서 71% AAm, 3.5% BIS, 및 25.5%_Fe2O3.
   3. B 용액 준비: 0.8mL의 DI 물에 10g의 과음암모늄(APS, 재료 표 참조)을 희석합니다.
   4. 중합을 위해 200μL의 A-용액과 5μL의 B-용액을 미세 원심분리 튜브로 옮깁니다.
   5. 마이크로 원심 분리기 튜브를 20 초 동안 소용돌이.

2. 소프트 하이브리드 그리퍼 설계 최적화

참고: 타원형 소프트 하이브리드 그리퍼는 AAm 기반 하이드로겔 외부 층, NIPAM 기반 하이드로겔 내부 레이어 및 페로겔 상층으로 구성됩니다(그림 1D). 전체 타원형 소프트 하이브리드 그리퍼는 AutoCAD 소프트웨어를 사용하여 작성되었습니다( 재료 표 참조).

1. 2차원 AAm 기반 하이드로겔층 설계
   1. 가장 바깥 쪽 부분에 세로 축이 24mm이고 가로 축이 20mm 인 타원형 모양을 그립니다.
   2. 2.1.1단계에서 그린 도형과 동일한 중심점을 사용하여 세로축이 20.8mm이고 가로축이 16.8mm인 다른 타원형 도형을 그립니다.
   3. 타원의 중심점에서 멀리 떨어진 점 (−8.24, 2), (0, 6) 및 (8.24, 2)를 통과하는 3점 호를 그립니다.
   4. 호로 나눈 일식의 작은 윗부분을 다듬습니다.
2. 2차원 NIPAM 기반 하이드로겔층 설계
   1. 2.1.1단계에서 그린 모양과 동일한 중심점을 사용하여 세로축이 20.2mm이고 가로축이 16.4mm인 타원을 그립니다.
   2. 2.1.1단계에서 그린 모양과 동일한 중심점을 사용하여 세로 축이 16.16mm이고 가로축이 13.12mm인 타원을 그립니다.
   3. 타원의 중심점에서 떨어진 점 (−7.86, 1.83), (0, 5.6) 및 (7.86, 1.83)을 통과하는 3점 호를 그립니다.
   4. 타원의 중심점에서 떨어진 점 (−5.47, 1.64), (0, 3.18) 및 (5.47, 1.64)를 통과하는 3점 호를 그립니다.
   5. 트리밍타원의 작은 윗부분을 호로 나눕니다.
   6. 받침대를 만들려면 (−4.75, −2.71) 및 (4.75, −2.71)에서 중심점에서 두 점 떨어져 있고 (0, -4.59)에서 중심점에서 한 점 떨어진 호를 그립니다.
3. 2차원 페로겔 층 설계
   1. 타원의 중심점에서 떨어진 점 (−7, 4.92), (0, 9.2) 및 (7, 4.92)를 통과하는 3점 호를 그립니다.
   2. 타원의 중심점에서 떨어진 점 (−7, 4.92), (0, 7.6) 및 (7, 4.92)를 통과하는 3점 호를 그립니다.
4. 2차원 그리퍼 팁 설계
   1. 그리퍼의 파지 부분을 만들려면 타원 하단의 중심선에서 양쪽에서 0.8mm 자릅니다.
5. 3차원 하이브리드 그리퍼 설계
   1. 전체 2D 하이브리드 그리퍼 설계를 3D로 전환하려면 반응형 겔의 받침대를 0.8mm 돌출시키고 반응성이 없는 젤, 반응형 겔의 절단된 타원형 및 페로겔을 2.5mm 압출합니다.

3. 소프트 하이브리드 그리퍼의 3차원 프린팅

1. 층 높이가 0.4mm이고 인쇄 속도가 10mms⁻¹이고 충전 밀도가 75%인 Slic3r 소프트웨어(재료 표 참조)를 사용하여 2단계에서 생성된 각 구조에 대해 G 코드³⁰을 생성합니다. 이중 프린트 헤드를 사용하여 G 코드 파일을 편집합니다.
2. G 코드 파일을 보안 디지털(SD) 카드에 저장하고 3D 프린터( 재료 표 참조)에 연결하여 소프트 그리퍼의 인쇄 경로를 생성합니다.
3. 공기 펌프 압력 제어 장치를 3D 프린터에 연결합니다.
4. NIPAM 기반 하이드로겔과 AAm 기반 하이드로겔의 경우 각각 직경 0.25mm 및 0.41mm의 노즐 팁을 선택하십시오.
5. AAm 기반 하이드로겔 카트리지를 노즐 1에 연결하고 NIPAM 기반 하이드로겔 카트리지를 노즐 2에 연결합니다.
6. 카트리지의 두 프린트 헤드가 z축에서 같은 위치에 있는지 확인합니다.
7. 두 노즐 사이의 정렬 불량을 방지하기 위해 X 및 Y 좌표를 정확하게 보정합니다.
8. AAm 기반 하이드로겔의 경우 인쇄 압력을 20-25KPa로, NIPAM 기반 하이드로겔의 경우 10-15KPa로 설정합니다.
9. 각 샘플이 완전히 인쇄되면 3.5-3.8단계를 반복합니다(그림 2A).

4. 소프트 하이브리드 그리퍼의 UV 광경화

1. UV 광경화 전에 주사기를 사용하여 자기장 반응성 페로겔 잉크(1.3단계에서 준비)를 3D 프린팅된 소프트 그리퍼의 표적 얇은 구멍 영역에 주입합니다.
2. 페로겔을 주입한 후 그리퍼 구조를 365nm 파장의 UV 소스 챔버 내부에 6분 동안 놓습니다. 자외선의 강도를 4.9mJ/s로 고정합니다.
3. UV 광경화 후 그리퍼 구조가 완전히 부풀어 오른 평형 상태에 도달할 때까지 최소 24시간 동안 DI 수조로 옮깁니다(그림 2B-D).

결과

NIPAM 기반 하이드로 겔은 날카로운 LCST로 인해 열적으로 반응하는 소프트 그리퍼를 설계 할 때 주로 고려되었으며, 이로 인해 상당한 팽창 - 팽창 제거 특성을 나타냅니다 ^9,10. 또한 AAm 기반 하이드로겔은 여러 가열 및 냉각 과정에서 계면의 박리를 줄이면서 소프트 하이브리드 그리퍼의 형상 변형을 극대화하기 위해 비자극 반응성 시스템으로 간주되었?...

토론

소프트 하이브리드 그리퍼의 재료 선택 측면에서 비반응성 AAm 기반 하이드로겔, 열반응성 NIPAM 기반 하이드로겔 및 자기반응성 페로겔로 구성된 다중 반응성 재료 시스템을 먼저 준비하여 소프트 하이브리드 그리퍼가 프로그래밍 가능한 이동 및 형상 변형을 나타낼 수 있도록 했습니다. 열적으로 반응하는 팽윤-팽창 제거 특성으로 인해 NIPAM 기반 하이드로겔은 AAm 기반 하이드로겔¹

자료

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