Name: four-dimensional printing of stimuli-responsive hydrogel-based soft robots
Uploaded: 2023-01-13T13:10:00
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著者らは、韓国政府(MSIT)が資金提供する韓国国立研究財団(NRF)助成金(No.2022R1F1A1074266)からの支援に感謝の意を表します。

刺激応答性ソフトグリッパーは、非刺激応答性アクリルアミド(AAm)系ハイドロゲル、熱応答性 N-イソプロピルアクリルアミド(NIPAM)系ハイドロゲル、磁気応答性フェロゲルの3種類のハイドロゲルから構成されていました(図1)。3つのヒドロゲルインクは、以前に公開された方法29、30、31を改変す?...

<ol>
	<li>Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimuli+responsive+self-folding+using+thin+polymer+films.">Stimuli responsive self-folding using thin polymer films.</a> Current Opinion in Chemical Engineering. 2 (1), 112-119 (2013).</li><li>Zhang, Y. S., Khademhosseini, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+engineering+hydrogels.">Advances in engineering hydrogels.</a> Science. 356 (6337), (2017).</li><li>Erol, O., Pantula, A., Liu, W., Gracias, D. 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H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+three-dimensional+robots+with+hard+two-dimensional+materials.">Soft three-dimensional robots with hard two-dimensional materials.</a> ACS Nano. 13 (5), 4883-4892 (2019).</li><li>Yoon, C. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+biomimetic+stimuli+responsive+soft+grippers.">Advances in biomimetic stimuli responsive soft grippers.</a> Nano Convergence. 6, 20 (2019).</li><li>Lee, Y., Song, W. J., Sun, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogel+soft+robotics.">Hydrogel soft robotics.</a> Materials Today Physics. 15, 100258 (2020).</li><li>Shen, Z., Chen, F., Zhu, X., Yong, K. 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W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+3D-printed,+functionally+graded+soft+robot+powered+by+combustion.">A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion.</a> Science. 349 (6244), 161-165 (2015).</li><li>Wehner, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+integrated+design+and+fabrication+strategy+for+entirely+soft,+autonomous+robots.">An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots.</a> Nature. 536, 451-455 (2016).</li><li>Tibbits, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=4D+printing:+Multi-material+shape+change.">4D printing: Multi-material shape change.</a> Architectural Design. 84 (1), 116-121 (2014).</li><li>Gladman, A. S., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomimetic+4D+printing.">Biomimetic 4D printing.</a> Nature Materials. 15, 413-418 (2016).</li><li>Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+4D+printing.">A review of 4D printing.</a> Materials &amp; Design. 125, 42-79 (2017).</li><li>Ionov, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=4D+biofabrication:+Materials,+methods,+and+applications.">4D biofabrication: Materials, methods, and applications.</a> Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 1800412 (2018).</li><li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual-gel+4D+printing+of+bioinspired+tubes.">Dual-gel 4D printing of bioinspired tubes.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 11 (8), 8492-8498 (2019).</li><li>Son, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Untethered+actuation+of+hybrid+hydrogel+gripper+via+ultrasound.">Untethered actuation of hybrid hydrogel gripper via ultrasound.</a> ACS Macro Letters. 9 (12), 1766-1772 (2020).</li><li>Ding, Z., Salim, A., Ziaie, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Squeeze-film+hydrogel+deposition+and+dry+micropatterning.">Squeeze-film hydrogel deposition and dry micropatterning.</a> Analytical Chemistry. 82 (8), 3377-3382 (2010).</li><li>Ongaro, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Autonomous+planning+and+control+of+soft+untethered+grippers+in+unstructured+environments.">Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments.</a> Journal of Micro-Bio Robotics. 12, 45-52 (2017).</li><li>Scheggi, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+motion+control+and+planning+of+untethered+soft+grippers+using+ultrasound+image+feedback.">Magnetic motion control and planning of untethered soft grippers using ultrasound image feedback.</a> 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE. , 6156-6161 (2017).</li></ol>

ソフトハイブリッドグリッパーの材料選択に関しては、非刺激応答性AAmベースのヒドロゲル、熱応答性NIPAMベースのヒドロゲル、および磁気応答性フェローゲルで構成されるマルチレスポンシブ材料システムを最初に準備し、ソフトハイブリッドグリッパーがプログラム可能な移動と形状変換を示せるようにしました。NIPAMベースのヒドロゲルは、熱応答性の膨潤-脱膨潤特性により、AAmベー?...

刺激応答性ソフトロボットの開発は、技術的にも知的にも重要です。刺激応答性ソフトロボットという用語は、一般に、熱、pH、および光1,2,3,4などの外部手がかりに応答して形状変化を示すヒドロゲル、ポリマー、エラストマー、またはハイブリッドで構成されるデバイス/システムを指す。多くの刺激応答性ソフトロボットの中で、N-イソプロピルアクリルアミド(NIPAM)ヒドロゲルベースのソフトロボットは、自発的な形状変換5,6,7,8を用いて所望のタスクまたは相互作用を実行する。一般に、NIPAMベースのヒドロゲルは低い臨界溶解温度(LCST)を示し、膨潤(LCST未満の親水性)および脱膨潤(LCSTを超える疎水性)特性の変化は、32°C〜36°Cの間の生理学的温度付近のヒドロゲル系内で生じる9,10。LCSTの鋭い臨界転移点付近のこの可逆的な膨潤・脱膨潤機構は、NIPAM系ハイドロゲルソフトロボット2の形状変態を発生させることができる。その結果、熱応答性NIPAMベースのヒドロゲルソフトロボットは、多機能マニピュレータ、ヘルスケアシステム、およびスマートセンサにおいて重要な歩行、把持、クロール、センシングなどの操作を改善しました2、3、4、11、12、13、14、15、16、17、 18,19,20,21。
刺激応答性ソフトロボットの製造において、直接層ごとの付加プロセス22を用いた3次元(3D)印刷アプローチが広く採用されている。プラスチックや柔らかいヒドロゲルなどのさまざまな材料を3D印刷で印刷できます23,24。最近、4D印刷は、形状プログラム可能なソフトロボットを作成するための革新的な技術として広く強調されている25,26,27,28。この4D印刷は3D印刷に基づいており、4D印刷の主な特徴は、3D構造が時間の経過とともに形状や特性を変化させることができることです。4D印刷と刺激応答性ヒドロゲルの組み合わせは、熱、pH、光、磁場および電場などの適切な外部刺激トリガーにさらされると時間の経過とともに形状が変化するスマート3Dデバイスを作成するための別の革新的なルートを提供しました25,26,27,28.多様な刺激応答性ヒドロゲルを用いたこの4D印刷技術の開発は、応答速度とフィードバック感度が向上した多機能性を示す形状変形可能なソフトロボットの出現の機会を提供しました。
この研究では、形状変換と移動を表示する3D印刷駆動の熱応答性ソフトグリッパーの作成について説明します。特に、記載された特定の手順は、ミリメートルからセンチメートルの長さスケールの範囲の全体サイズを有する様々な多機能ソフトロボットを製造するために利用することができる。最後に、このプロトコルは、ソフトロボット(スマートアクチュエータや移動ロボットなど)、フレキシブルエレクトロニクス(光電センサーやラボオンチップなど)、ヘルスケアシステム(ドラッグデリバリーカプセル、生検ツール、手術装置など)など、いくつかの分野に適用できることが期待されています。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>2-Hydroxy-4&#39;-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>410896-50G</td>
			<td>Irgacure 2959, photoinitiator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D WOX 2X</td>
			<td>sindoh</td>
			<td>n/a</td>
			<td>3D printer for fabricating a maze</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylamide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>29-007</td>
			<td>&#8805;99%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Airbrush compressor</td>
			<td>WilTec</td>
			<td>AF18-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium persulfate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>A4418</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Auto CAD</td>
			<td>Autodesk</td>
			<td>n/a</td>
			<td>software for computer-aided-design file</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BLX UV crosslinker</td>
			<td>BIO-LINK</td>
			<td>U01-133-565</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cartridge</td>
			<td>CELLINK</td>
			<td>CSC010300102</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital stirring Hot Plates</td>
			<td>Corning</td>
			<td>6798-420D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescein O-methacrylate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>568864</td>
			<td>dye of AAm gel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>INKREDIBLE+ bioprinter</td>
			<td>CELLINK</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iron(III) Oxide red</td>
			<td>DUKSAN general science</td>
			<td>I0231</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laponite RD</td>
			<td>BYK</td>
			<td>n/a</td>
			<td>nanoclay</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcentrifuge tube</td>
			<td>SPL</td>
			<td>60615</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro stirrer bar</td>
			<td>Cowie</td>
			<td>27-00360-08</td>
			<td>&#934;3&#215;<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64870/64870img01.png" />0&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N, N, N&#39;, N&#39;-tetramethylethylenediamine</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>T7024-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N, N&#39;-methylenebisacrylamide</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>M7279</td>
			<td>&#8805;99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-isopropylacrylamide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>415324-50G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(N-isopropylacrylamide)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>535311</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rhodamine 6G</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>R4127</td>
			<td>dye of NIPAM gel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slic3r software (v1.2.9)</td>
			<td>Slic3r</td>
			<td>n/a</td>
			<td>open-source software to convert .stl file to gcode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide beads</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S5881</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterile high-precision conical bioprinting nozzles</td>
			<td>CELLINK</td>
			<td>NZ3270005001</td>
			<td>22 G, 25 G</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>Korea vaccine</td>
			<td>K07415389</td>
			<td>10 CC 21 G (1-1/4 INCH)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vortex mixer</td>
			<td>DAIHAN</td>
			<td>DH.WVM00030</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

four-dimensional printing of stimuli-responsive hydrogel-based soft robots

本プロトコルは、3次元(3D)バイオ印刷法を用いた4次元(4D)、時間依存、形状変化可能、刺激応答性ソフトロボットの作成を記載する。近年、形状変形可能なソフトロボットを開発するための革新的な新しい方法として、4D印刷技術が広く提案されている。特に、4D時間依存の形状変換は、熱、pH、光などの外部キューによってトリガーされたときに適切な時間と場所で効果的な機能を発生させることができるため、ソフトロボティクスの重要な要素です。この観点に沿って、ヒドロゲル、ポリマー、ハイブリッドなどの刺激応答材料を印刷して、スマートな形状変換可能なソフトロボットシステムを実現できます。現在のプロトコルは、 N-イソプロピルアクリルアミド(NIPAM)ベースのヒドロゲルで構成される熱応答性ソフトグリッパーを製造するために使用でき、全体の長さはミリメートルからセンチメートルの範囲です。本研究は、スマートマニピュレータ(グリッパー、アクチュエータ、ピックアンドプレースマシンなど)、ヘルスケアシステム(薬物カプセル、生検ツール、マイクロサージャリーなど)、エレクトロニクス(ウェアラブルセンサーや流体工学など)のさまざまなアプリケーション向けに、インテリジェントソフトロボットシステムを実現するための新しい方向性を提供することが期待されます。

NIPAMベースのヒドロゲルは、その鋭いLCSTのために熱応答性ソフトグリッパーを設計するときに主に考慮されました、それはそれが顕著な膨潤 - 脱膨潤特性を示す原因となります9,10。さらに、AAmベースのヒドロゲルは、複数の加熱および冷却プロセス中の界面の層間剥離を低減しながら、ソフトハイブリッドグリッパーの形状変換を最大化する非刺?...

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Four-Dimensional Printing of Stimuli-Responsive Hydrogel-Based Soft Robots

この原稿では、インテリジェントな刺激応答性ソフトロボットを製造するための4D印刷戦略について説明しています。このアプローチは、スマートマニピュレータ、エレクトロニクス、ヘルスケアシステムなど、インテリジェントな形状変換可能なソフトロボットシステムの実現を促進するための基礎を提供することができます。

刺激応答性ハイドロゲル系ソフトロボットの4次元印刷

The present protocol describes the creation of four-dimensional (4D), time-dependent, shape-changeable, stimuli-responsive soft robots using a ...

本プロトコルは、様々なアプリケーション向けに、インテリジェントで形状変形可能なソフトロボットシステムを実現するための新たな方向性を提供することが期待されます。4D時間依存の印刷プロセスは、ミリメートルからセンチメートルまでの幅広いサイズ範囲で、多様な刺激応答ソフトロボットを作成できます。この4Dバイオプリンティング技術は、ヘルスケアエンジニアリングにおける標的薬物送達、顕微手術、および低侵襲生検に拡張することができます。テキストのみの情報は読者に曖昧さをもたらす可能性があるため、意図した結果を達成するために視覚的なデモンストレーションが不可欠です。非刺激応答性アクリルアミド系ハイドロゲルインクを調製するには、アクリルアミド、架橋剤、および光開始剤を磁気攪拌機を使用してイオン交換水で24時間希釈します。刺激応答性N-イソプロピルアクリルアミドベースのヒドロゲルインクを調製するには、N-イソプロピルアクリルアミド、プロピルN-イソプロピルアクリルアミド、および光開始剤を脱イオン水中で、マグネチックスターラーを使用して24時間希釈します。次に、アクリルアミドゲルとN-イソプロピルアクリルアミドゲルに染料を加え、せん断剤であるラポナイトRDを毎分1150回転、または少なくとも6時間、完全に希釈されるまでボルテックスします。次に、本文に記載されている指示に従って、ヒドロゲルインクを準備します。フェローゲルインクを調製するために、まず、本文に記載のプロトコールに従ってA液及びB液を調製する。重合を行うには、200マイクロリットルのA溶液と5マイクロリットルのB溶液をマイクロ遠心チューブに移し、混合物を20秒間ボルテックスします。スライサーソフトウェアを使用して、グリッパー設計の最適化によって以前に作成された各構造のGコードを生成します。レイヤーの高さを 0.4 ミリメートルに割り当てます。75%の充填密度と毎秒10ミリメートルの印刷速度。デュアルプリントヘッドを使用してGコードファイルを編集します。Gコードファイルを3Dプリンターに接続する前に、安全なデジタルカードまたはSDカードに保存します。アクリルアミドベースとN-イソプロピルアクリルアミドベースのヒドロゲルカートリッジをそれぞれのノズルに接続した後、カートリッジの2つのプリントヘッドがZ軸の同じ位置にあるかどうかを確認します。次に、X座標とY座標を正確に調整して、2つのノズル間の位置ずれを防ぎます。次に、印刷圧力をアクリルアミドベースのヒドロゲルの場合は20〜25キロパスカルに設定し、N-イソプロピルアクリルアミドベースのヒドロゲルの場合は10〜15キロパスカルに設定します。各サンプルが完全に印刷されたら、次の手順を繰り返して、次のサンプルを印刷します。UV光硬化の前に、シリンジを使用して、磁場応答性フェローゲルインクを3Dプリントされたソフトグリッパーのターゲットの薄い穴領域に注入します。フェログの注入後、グリッパー構造を波長365ナノメートルのUV光源チャンバー内に6分間配置します。UV光硬化後、グリッパー構造を脱イオン水浴に移し、完全に膨潤した平衡状態に達するまで少なくとも24時間行います。ソフトハイブリッドグリッパーは、熱応答作動と磁気移動を介してピックアンドプレースタスクを実行しました。温度が下限臨界溶液温度(LCST)を超えると、N-イソプロピルアクリルアミドベースのヒドロゲルが膨潤して収縮し、グリッパーチップが閉じました。一方,グリッパー先端は,N-イソプロピルアクリルアミド系ヒドロゲルの膨潤によりLCSTを下回ると開いた。グリッパーはまた、脱イオン水で満たされた3Dプリントされたサンプル迷路内でのピックアンドプレースタスクを実演しました。グリッパーは、先端が開いた状態で、外部磁石によって開始位置からターゲットのイクラまでガイドされました。気温が摂氏40度に達すると、グリッパーの先端が閉じてイクラをつかみました。イクラを握ったまま迷路から誘導し、室温25°Cの先端開放状態で対象部位に無傷のイクラを放流することに成功した。2つのノズル間の座標点を校正する際には、実験的な注意を払う必要があります。このプロセスには多くの練習が必要です。この特定のプロトコルは、正確に制御可能で高感度で多機能なスマート刺激応答ソフトロボットの実現におけるさらなる重要な進歩の基礎を提供します。

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JoVE Journal

Engineering

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

デジタルプロジェクターとソフトマテリアル力学の研究への応用を用いたマイクロ3Dプリント

Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new ...

SSVEP-based Experimental Procedure for Brain-Robot Interaction with Humanoid Robots

ヒューマノイドロボットと脳とロボットのインタラクションのための実験手順をSSVEPベース

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in ...

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

色素増感太陽電池用二酸化チタンのデジタル印刷

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less ...

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

研究と教育学のための生体分子モデルの3Dプリント

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

斜めの部屋に柔らかい空気ネットワーク アクチュエータの作製

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Hemiwicking 表面の作製とスケーラブルなスタンプ印刷

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

ハイブリッド スマート センサーの作製のための印刷

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

ソフトマテリアルの大振幅振動せん断応答を勉強

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl ...

Multimodal 3D Printing of Phantoms to Simulate Biological Tissue

生体組織をシミュレートするファントムのマルチモーダル3Dプリンティング

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of ...

Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots

薄型軟空アクチュエータ・ロボットの迅速な製造

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a ...