Hydrogel 3-D udskrivning og mønster af væsker med kondensatorkanteffekten (PLEEC)

Hydrogeler er tredimensionelle (3-D) polymernetværk, der kan tilbageholde store mængder vand i deres opsvulmede tilstande til brede anvendelser inden for bioteknik og materialevidenskab. Avancerede hydrogelfremstillingsteknikker er under udvikling for at imødekomme brugerspecificerede krav med væsentlige begrænsninger på de fysiske og kemiske egenskaber af hydrogelprækursorer og trykte strukturer. I en nylig undersøgelse, Jikun Wang og kolleger ved State Key Lab for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Institut for Teknisk Mekanik, i Kina, foreslået en ny metode til at mønstre væsker med kondensatorkanteffekten (PLEEC). Resultaterne er nu offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

Ved at bruge den nye mønstermetode, Wang et al. opnået en opløsning på 100 µm, samtidig med at de giver dem mulighed for at etablere et komplet 3-D printsystem, der kombinerede mønster- og stablingsprocesser. Teknikken kan anvendes på en lang række hydrogeler for at overvinde eksisterende grænser. I arbejdet, forskerne demonstrerede trykte hydrogelstrukturer, herunder et hydrogelstillads, en termoresponsiv hydrogel-komposit og en ionisk hydrogel-displayenhed med høj integritet. Den foreslåede teknik kan tilbyde hurtig prototyping af hydrogelenheder med flere sammensætninger og komplekse geometrier.

Additiv fremstilling eller 3-D-print er et effektivt værktøj til at konstruere meget strukturerede, indbyrdes forbundne og porøse arkitekturer sammenlignet med konventionelle støbemetoder, fotomaskering og elektrospinning. Forskere har tidligere brugt 3-D-print til at skabe meget porøse hydrogelstilladser til cellekulturer, som biomimetiske mikrochips til at studere sygdom, bygge kunstigt heterogent væv i regenerativ medicin og som biokompatible organer med høj geometrisk præcision. 3-D hydrogeler bruges også til at bygge ledende kompositter til blød robotteknologi. I særdeleshed, computerstøttet design (CAD) i 3D-print er velegnet til at bygge højt programmerede og brugerspecificerede hydrogelstrukturer til applikationer inden for vævsteknologi.

Tidligere etablerede metoder til hydrogelprintning omfatter konventionelt digital projektionslitografi (DLP), stereolitografi (SLA) og direkte blækskrivning (DIW). Imidlertid, sådanne metoder er begrænset til mønsterdannelse med kun fotopolymeriserbare hydrogel-precursorer. Tilsvarende i DIW-udskrivningsmetoden, hydrogelprækursorer er vandlignende og vanskelige at afsætte, medmindre deres viskositet øges med nanolær, påvirker forarbejdningsteknikken. Elektriske felter er en anden teknik, der er blevet brugt til at kontrollere væsker via elektrobefugtning, dielektroforese og litografi induceret selvsamling. Selvom teknikkerne kan kontrollere enkelte dråber mellem elektroder til applikationer i cellekultur, mønstret befugtning, mikrofluidik og mønsterelektronik, elektriske felter kan kun manipulere en enkelt dråbe ad gangen. Som resultat, teknikken mangler massiv kontrol af væskedråber, med vanskeligheder ved deres anvendelse i 3-D-print.

I nærværende arbejde, Wang et al. foreslået PLEEC (mønstrende væsker med kondensatorkanteffekten) til at mønstre væsker med forskellige fysiske og kemiske egenskaber. Metoden kan anvendes på en række tværbindingsmekanismer blandt flere materialer. Forskerne brugte en kondensator, der var asymmetrisk i design for at tillade konstruktionen af ​​et rigtigt 3-D objekt end blot 2-D mønstre bygget inden for to elektroder. Med udgangspunkt i den nye metode, Wang et al. byggede 3-D printsystemet, at levere proof-of-concept trykte hydrogelstrukturer, herunder et hydrogel stillads, hydrogel komposit og hydrogel ioniske enheder i undersøgelsen.

PLEEC-panelet foreslået i undersøgelsen indeholdt fem lag, hvor det øverste lag (Teflon-film) virkede som et hydrofob, isolerende dæksel for at adskille væsken fra den øverste elektrode. Da forskerne anvendte et elektrisk felt, kanteffekten genererede en elektrostatisk kraft, der fangede væsken oven på det hydrofobe lag. Ved at bruge princippet, forskerne designede flydende mønstre med forskellige former og størrelser. For eksempel, det fangede blå blæk dannede mønstre af en Angry Bird og bogstaverne XJTU. Ud over, forskerne brugte en række linjepixels til at kontrollere og opfange væske uafhængigt. Desuden, i et array på 10 x 10 pixels, forskerne var i stand til at danne en række flydende mønstre såsom linjer, firkanter og noder. Med videreudviklet kredsløbsstyringsteknologi, yderligere komplekse væskemønstre kan designes og styres ved hjælp af PLEEC.

Som et proof-of-concept fangede forskerne fire hydrogel-prækursorer ved hjælp af et elektrisk felt, at danne forskellige strukturer. For eksempel, Wang et al. fanget 2-acrylamido-2-methylpropansulfonsyre (AMPS) opløsning for at danne en gul cirkel, som derefter polymeriserede til PAMPS-hydrogelen ved eksponering for UV-lys. De fangede derefter akrylamidopløsningen (AAm) på samme måde for at danne en rød firkant, som derefter polymeriserede til PAAm-hydrogelen ved varme. De to hydrogel-prækursorer (AMPS og AAm) var vandlignende og svære at kontrollere via enhver anden teknik til at begynde med. Wang et al. dannede også et blåt kryds ved hjælp af alginatopløsningen, som derefter polymeriserede til en skør alginathydrogel via ionbytning, efterfulgt af en grøn trekant dannet ved hjælp af alginat/AAm-opløsningen, som polymeriserede til en alginat/AAm sej hydrogel ved varme- og ionbytning.

Bortset fra hydrogel-prækursorer, Wang et al. var i stand til at indfange funktionelle materialer på samme måde ved at bruge det elektriske felt til at danne gule bølgede linjer ved hjælp af N-isopropylakrylamidopløsning, polymeriseres til temperaturfølsomme PNIPAM-hydrogeler. De dannede derefter et rødt hjerte ved hjælp af en polyethylenglycoldiacrylatopløsning (PEGDA), der er meget udbredt i bioingeniørapplikationer, efterfulgt af den blå flash dannet med fanget ionisk væske, der var ionisk ledende og ikke-flygtig velegnet til strækbare ioniske ledere. En grøn uendelig sløjfeform var resultatet af fanget lysfølsom harpiks, der er meget brugt i 3-D-print. Forskerne demonstrerede således, hvordan PLEEC kunne fange en bred vifte af hydrogelopløsninger til storskala væskemanipulation og hydrogel 3-D-print. Det elektriske felt var i stand til at fange en vandlinje med en opløsning på 100 µm, meget tæt på det, der er observeret med DLP og SLA.

Wang et al. polymerized the 2-D hydrogel precursor patterns and stacked them layer-by-layer to form a 3-D structure thereafter. I forsøgsopstillingen, the liquids flowed across the designed electrodes to form liquid patterns trapped by the electric field. A transparent curing platform then approached the liquid pattern to polymerize it in the plane of printing using UV light. The scientists determined the printing speed of the PLEEC method by deducing the time of liquid patterning, which was in the order of 10 ¹ s and the time of polymerization in the order of 10 ² s, comparable to the DLP technique.

Based on the PLEEC process, Wang et al. designed a complete PLEEC 3-D printing system with seven parts:a mechanical module, PLEEC panel, solution-adding unit, a curing platform, curing unit, power supply and a control module. The scientists used the solution adding holes in the setup to squeeze the hydrogel solutions onto the PLEEC panel and a UV lamp in the curing unit to complete the in-house printing system. They regulated the power supply using the control unit to provide a low voltage for mechanical movement of the module and higher voltage—as high as 3000 V at 1 kHz to the PLEEC panel. På tur, Wang et al. operated the control module using a central computer to send instructions to all units.

Using the in-house printing system, the scientists then designed a hydrogel composite containing different percentages of PAAm and PNIPAM solutions, which they polymerized in the shape of a human hand, followed by triggered thermoresponsive behavior to form the finger gestures of "GOOD" and "OK." The scientists also used the same experimental setup to engineer stretchable LED belts and soft display devices, where each LED in the system could be independently lit.

På denne måde Wang et al. proposed a new PLEEC panel design to generate complex liquid patterns and transferred the concept to build a 3-D printing system as demonstrated. The technology has several advantages and offers significant versatility compared to the existing methods of hydrogel 3-D printing. Som et proof-of-concept, they used a wide variety of hydrogels with varying physical or chemical properties in the system and showed the possibility of using materials with varying viscosity, either bonded physically or chemically to construct structures of interest. Multiple hydrogel materials could also be easily patterned to form a variety of soft and hard, to active and passive hydrogel composites. They assembled the ionically conductive hydrogels in a single-step curing process for ease, demonstrating excellent integrity and bonding properties.

The researchers aim to improve the precision of the technique in the future and optimize the 3-D printing PLEEC setup to streamline rapid prototyping. The optimized method will enable dynamic applications in tissue engineering such as artificial tissues, soft metamaterials in materials science, soft electronics and soft robotics.

© 2019 Science X Network