3D-udskrivning meget strækbar hydrogel med forskellige UV-hærdbare polymerer

Hydrogelpolymerhybrider bruges i vid udstrækning på tværs af en række applikationer til dannelse af biomedicinsk udstyr og fleksibel elektronik. Imidlertid, teknologierne er i øjeblikket begrænset til hydrogel-polymer-hybridlaminater indeholdende silikongummi. Dette kan i høj grad begrænse funktionaliteten og ydeevnen for hydrogel-polymer-baserede enheder og maskiner. I en ny undersøgelse, Qi Ge, og et team af forskere inden for mekanik, mekatroniske systemer, fleksibel elektronik, kemi og avanceret design i Kina, Singapore og Israel demonstrerede en enkel og alsidig multimateriale tredimensionel (3-D) udskrivningstilgang. Metoden tillod udvikling af komplekse hybrid 3D-strukturer indeholdende meget strækbare og højt vandindhold acrylamid-poly (ethylenglycol) diacrylat (PEGDA) forkortet som AP-hydrogeler, kovalent bundet med forskellige ultraviolette (UV) hærdbare polymerer. Teamet printede hybridstrukturer på en selvbygget digital-light-behandling (DLP) -baseret multimateriale 3D-printer. De letter kovalent binding mellem AP-hydrogel og andre polymerer gennem ufuldstændig polymerisering initieret af en vandopløselig fotoinitiator. Teamet viste et par applikationer baseret på denne tilgang til at foreslå en ny måde at realisere multifunktionelle bløde enheder og maskiner ved at binde hydrogel med forskellig polymer i 3D-former. Værket er nu offentliggjort den Videnskab fremskridt .

Den nye 3D-udskrivningsmetode

Hydrogels er vandholdige polymernetværk, der har forskellige anvendelser på tværs af biomedicinsk udstyr og fleksibel elektronik. Mange anvendelser inden for materialeteknik kombinerer hydrogeler med andre polymerer for at designe hybridstrukturer for at beskytte, forstærke eller tilføje nye funktionaliteter til hydrogelkonstruktioner, såsom hydrogelbaseret glidemiddel og elastomer antidhydrering. Imidlertid, de fleste polymerer, der danner hybrider med hydrogeler, er for det meste begrænset til silikongummi og laminatstrukturer, der begrænser funktionaliteten og ydeevnen af ​​sådanne enheder og maskiner. Som resultat, materialeforskere sigter mod at udvikle effektive alternative strategier. I dette arbejde, Ge et al. rapporterede om en enkel og alsidig multimateriale 3-D-printmetode til at udvikle meget kompleks, hybrid 3D-strukturer. Den nye metode vil bane en effektiv vej til at udvikle bløde enheder og maskiner med stærkt udvidede funktionaliteter og præstationer.

3D-print i flere materialer med andre materialer

Materialerne indeholdt stærkt strækbare hydrogeler med et højt vandindhold, kovalent bundet til forskellige vanduopløselige UV-hærdbare polymerer, såsom elastomerer, stive polymerer, forme hukommelsespolymerer og UV-hærdede methacrylatnetværk. Som bevis på konceptet, de brugte 3D-udskrivningsmetoden med flere materialer og demonstrerede en række anvendelser, herunder 4-D-udskrivning af kardiovaskulære stenter til levering af lægemidler og 3-D-udskrivning af ioniske ledere. Ge et al. trykte først hydrogel-polymerstrukturer på en selvbygget, høj opløsning, højeffektiv digital-lys-forarbejdningsbaseret multimateriale 3D-printer ved hjælp af en "bottom-up" tilgang. Under processen, digitaliseret UV-lys bestrålet fra UV-projektoren blev placeret under udskrivningstrinnet og kunne flyttes lodret for at kontrollere lagtykkelsen af ​​hvert trykt lag. En glasoverflade mellem trykfasen og UV -projektoren understøttede to eller tre polymerprekursoropløsningspytter for at levere en precursoropløsning efter behov. Forskerne brugte meget strækbart og højt vandindhold UV-hærdbart acrylamid-poly (ethylenglycol) diacrylat (PEGDA), kendt som AP -hydrogel. De opnåede de UV-hærdbare polymerer som kommercielt tilgængelige methacrylatbaserede 3-D-trykpolymerer.

Materialer limning mekanisme

Teamet undersøgte de mekanismer, der gjorde det muligt for AP-hydrogelen at binde sig fast til andre methacrylatbaserede UV-hærdbare polymerer. For det, de fremstillede AP -hydrogel -precursoropløsningen ved at blande acrylamidpulverne, PEGDA-polymer og vandopløselige fotoinitiatorer i vand. De afstemte materialets mekaniske adfærd ved at ændre forholdet mellem hybridpolymerer og ved at regulere vandindholdet. Den selvforberedte vandopløselige fotoinitiator (2, 4, 6-trimethylbenzoyl-diphenylphosphinoxid forkortet TPO) dannede en nøglekomponent i AP-hydrogel-precursoropløsningen, gør det meget UV-hærdbart og 3D-printbart. Til 3D-udskrivning af en hybridstruktur, der indeholder AP-hydrogel og andre polymerer, Ge et al. valgte også en række kommercielt tilgængelige polymerforløberopløsninger, såsom methacrylatbaserede monomerer, tværbindere og oligomerer.

3D-udskrivningsmetoden med flere materialer frembragte kemiske strukturer med den foreslåede grænsefladebindingsmekanisme mellem AP-hydrogel og methacrylatmonomeren. De reaktive radikaler ved materialegrænsefladen tillod kemisk binding mellem polymer- og hydrogel -lagene. For at validere den foreslåede mekanisme for grænsefladebinding, Ge et al. foretog Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi og sammenlignede polymerisationens omdannelse og kinetik mellem materialerne. Ge et al. undersøgte derefter grænsefladen sejhed mellem hydrogel og den UV -hærdbare polymer ved at udføre 180 graders skrælningstest. Resultaterne viste, at den energi, der er nødvendig for at bryde hydrogel-polymer-grænsefladen, er større end den energi, der er nødvendig for at bryde selve hydrogel.

Bevis for koncept:3D-trykt, stive polymer-hydrogelkompositter, kardiovaskulære stenter og fleksible elektroniske enheder

Baseret på egenskaberne af nye materialer, Ge et al. let udviklede stive polymerforstærkede hydrogelkompositter med overlegen mekanisk ydeevne og designfleksibilitet. Teamet designede en række mikrostrukturer for at forstærke stivhed og udforskede den eksisterende udfordring med stivhedsfejl mellem hydrogeler og menneskelige væv, som de demonstrerede ved at trykke en menisk bestående af AP -hydrogel forstærket af en Vero -stiv polymer. De afstemte mekanisk materialet ved at variere de stive mikrostrukturer for at oversætte materialet for forbedret funktionalitet og ydeevne for 3D-trykte biologiske materialer og væv. Forskerne brugte derefter formhukommelsespolymerer (SMP'er) som et ideelt 4-D-trykmateriale til 3D-printformede kardiovaskulære stenter, der kan ekspandere i blodkar med stenose. De brugte 3D-print af flere materialer til at overføre lægemiddelfrigivende funktionalitet til den kardiovaskulære SMP-stent ved at inkludere hydrogel i konstruktionen.

De programmerede SMP -stenten til en kompakt form og genoprettede sin oprindelige form ved implantation ved en anden programmeret temperatur. Ved hjælp af en multimateriale DLP-printer (digital-lysbehandling), they developed the SMP-hydrogel stent and loaded a red dye into the construct to mimic drug release. The team conducted the experiment in a plastic tube to show stent expansion upon implantation and hydrogel-based drug release. Derefter, they employed the ionic conductivity of hydrogels as a promising property for flexible electronics. For det, they printed a soft pneumatic actuator with a hydrogel strain sensor and conducted finite element analysis (FEA) to simulate bending of the structure to form a printed flexible electronic device with a 3-D ionic conductive hydrogel lattice structure and water-proof elastomeric protective skin.

Outlook

På denne måde, Qi Ge and colleagues developed a simple and versatile multi-material 3-D printing approach to fabricate highly complex, hybrid 3-D architectures. They then used a self-built digital-light processing multi-material 3-D printer to form hydrogel-polymer hybrid 3-D structures. The team displayed a series of applications including a 3-D printed meniscus, 4-D printed cardiovascular stent and a 3-D printed ionic conductor, as advantages of the approach.

© 2021 Science X Network