Hydrogels zijn driedimensionale (3-D) polymeernetwerken die grote hoeveelheden water in hun gezwollen toestand kunnen vasthouden voor brede toepassingen in bio-engineering en materiaalwetenschappen. Geavanceerde hydrogelfabricagetechnieken zijn in ontwikkeling om te voldoen aan door de gebruiker gespecificeerde vereisten met aanzienlijke beperkingen op de fysieke en chemische eigenschappen van hydrogelprecursoren en gedrukte structuren. In een recente studie, Jikun Wang en medewerkers van het State Key Lab for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Afdeling Technische Mechanica, in China, stelde een nieuwe methode voor om vloeistoffen in patroon te brengen met het condensatorrandeffect (PLEEC). De resultaten zijn nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Met behulp van de nieuwe patroonmethode, Wang et al. bereikt een resolutie van 100 µm, terwijl ze hen ook in staat stelden een compleet 3D-printsysteem op te zetten dat patroon- en stapelprocessen combineerde. De techniek kan worden toegepast op een breed scala aan hydrogels om bestaande limieten te overwinnen. In productie, de wetenschappers demonstreerden gedrukte hydrogelstructuren, waaronder een hydrogelsteiger, een thermoresponsief hydrogel-composiet en een ionisch hydrogel-weergaveapparaat met hoge integriteit. De voorgestelde techniek kan hydrogel-apparaten met snelle prototyping bieden met meerdere composities en complexe geometrieën.

Additieve fabricage of 3D-printen is een effectief hulpmiddel om zeer gestructureerde, onderling verbonden en poreuze architecturen in vergelijking met conventionele gietmethoden, fotomaskering en electrospinning. Onderzoekers hebben eerder 3D-printen gebruikt om zeer poreuze hydrogel-steigers voor celculturen te maken, als biomimetische microchips om ziekten te bestuderen, kunstmatige heterogene weefsels te bouwen in regeneratieve geneeskunde en als biocompatibele organen met hoge geometrische precisie. 3D-hydrogels worden ook gebruikt om geleidende composieten te bouwen voor zachte robotica. Vooral, computer-aided design (CAD) in 3D-printen is geschikt voor het bouwen van sterk geprogrammeerde en door de gebruiker gespecificeerde hydrogelstructuren voor toepassingen in weefseltechnologie.

Eerder gevestigde methoden voor hydrogelprinten omvatten conventioneel digitale projectielithografie (DLP), stereolithografie (SLA) en direct ink writing (DIW). Echter, dergelijke methoden zijn beperkt tot patroonvorming met alleen fotopolymeriseerbare hydrogelprecursors. evenzo, in de DIW-printmethode, hydrogelprecursors zijn waterachtig en moeilijk af te zetten tenzij hun viscositeit wordt verhoogd met nanoklei, die de verwerkingstechniek beïnvloeden. Elektrische velden zijn een andere techniek die is gebruikt om vloeistoffen te controleren via elektrowetting, diëlektroforese en lithografie veroorzaakte zelfassemblage. Hoewel de technieken enkele druppeltjes tussen elektroden kunnen controleren voor toepassingen in celcultuur, patroon bevochtigbaarheid, microfluïdica en patroonelektronica, elektrische velden kunnen slechts één druppel tegelijk manipuleren. Als resultaat, de techniek mist grootschalige controle van vloeistofdruppels, met moeite van hun gebruik in 3D-printen.

In het huidige werk, Wang et al. stelde PLEEC (patronen voor vloeistoffen met het condensatorrandeffect) voor om vloeistoffen met verschillende fysische en chemische eigenschappen te modelleren. De methode kan worden toegepast op een verscheidenheid aan verknopingsmechanismen tussen meerdere materialen. De wetenschappers gebruikten een condensator met een asymmetrisch ontwerp om de constructie van een echt 3D-object mogelijk te maken dan alleen 2-D-patronen die in twee elektroden zijn gebouwd. Op basis van de nieuwe methode Wang et al. bouwde het 3D-printsysteem, om proof-of-concept geprinte hydrogelstructuren te leveren, waaronder een hydrogelsteiger, hydrogel composiet en hydrogel ionische apparaten in de studie.

Het in de studie voorgestelde PLEEC-panel bevatte vijf lagen, waarbij de toplaag (teflonfilm) hydrofoob werkte, isolerende afdekking om de vloeistof van de bovenste elektrode te scheiden. Toen de wetenschappers een elektrisch veld aanbrachten, het randeffect genereerde een elektrostatische kracht die de vloeistof op de hydrofobe laag opsloot. Met behulp van het principe, de wetenschappers ontwierpen vloeibare patronen met verschillende vormen en maten. Bijvoorbeeld, de gevangen blauwe inkt gevormde patronen van een Angry Bird en de letters XJTU. In aanvulling, de wetenschappers gebruikten een reeks lijnpixels om vloeistof onafhankelijk te controleren en op te vangen. Verder, in een array van 10 x 10 pixels, de wetenschappers waren in staat om een ​​verscheidenheid aan vloeibare patronen te vormen, zoals lijnen, vierkanten en muzieknoten. Met verder ontwikkelde circuitbesturingstechnologie, aanvullende complexe vloeistofpatronen kunnen worden ontworpen en gecontroleerd met behulp van PLEEC.

Als proof-of-concept vingen de wetenschappers vier hydrogelprecursoren op met behulp van een elektrisch veld, om verschillende structuren te vormen. Bijvoorbeeld, Wang et al. ingesloten 2-acrylamido-2-methylpropaansulfonzuur (AMPS) oplossing om een ​​gele cirkel te vormen, die vervolgens polymeriseerde tot de PAMPS-hydrogel bij blootstelling aan UV-licht. Vervolgens vingen ze op dezelfde manier de acrylamide-oplossing (AAm) op om een ​​rood vierkant te vormen, die vervolgens door warmte in de PAAm-hydrogel polymeriseerde. De twee hydrogelprecursors (AMPS en AAm) waren waterachtig en moeilijk te controleren via een andere techniek om mee te beginnen. Wang et al. vormde ook een blauw kruis met behulp van de alginaatoplossing, die vervolgens polymeriseerde tot een brosse alginaathydrogel via ionenuitwisseling, gevolgd door een groene driehoek gevormd met behulp van de alginaat/AAm-oplossing, die polymeriseerde tot een taaie alginaat/AAm-hydrogel door warmte- en ionenuitwisseling.

Afgezien van hydrogelprecursoren, Wang et al. waren in staat functionele materialen op dezelfde manier te vangen met behulp van het elektrische veld om gele golvende lijnen te vormen met behulp van N-isopropylacrylamide-oplossing, gepolymeriseerd tot temperatuurgevoelige PNIPAM-hydrogels. Vervolgens vormden ze een rood hart met behulp van een polyethyleenglycoldiacrylaatoplossing (PEGDA) die veel wordt gebruikt in bio-engineeringtoepassingen, gevolgd door de blauwe flits gevormd met ingesloten ionische vloeistof die ionisch geleidend en niet-vluchtig was, geschikt voor rekbare ionische geleiders. Een groene oneindige lusvorm was het resultaat van ingesloten lichtgevoelige hars die veel wordt gebruikt bij 3D-printen. De wetenschappers toonden dus aan hoe PLEEC een breed scala aan hydrogeloplossingen kon vangen voor grootschalige vloeistofmanipulatie en hydrogel 3D-printen. Het elektrische veld was in staat om een ​​lijn water op te vangen met een resolutie van 100 µm, zeer dicht bij die waargenomen met DLP en SLA.

Wang et al. polymerized the 2-D hydrogel precursor patterns and stacked them layer-by-layer to form a 3-D structure thereafter. In de proefopstelling is 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. Beurtelings, 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.

Op deze manier, 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. Als 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 Wetenschap X Netwerk