Hydrogel-polymeerhybriden worden veel gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen om biomedische apparaten en flexibele elektronica te vormen. Echter, de technologieën zijn momenteel beperkt tot hydrogel-polymeer hybride laminaten die siliconenrubbers bevatten. Dit kan de functionaliteit en prestaties van op hydrogel-polymeer gebaseerde apparaten en machines aanzienlijk beperken. In een nieuwe studie, QiGe, en een team van wetenschappers in de mechanica, mechatronische systemen, flexibele elektronica, chemie en geavanceerd ontwerp in China, Singapore en Israël demonstreerden een eenvoudige en veelzijdige multi-materiaal driedimensionale (3-D) printbenadering. De methode maakte de ontwikkeling mogelijk van complexe hybride 3D-structuren met zeer rekbare acrylamide-poly(ethyleenglycol)diacrylaat (PEGDA) afgekort als AP-hydrogels met een hoog watergehalte. covalent gebonden met diverse ultraviolet (UV) uithardbare polymeren. Het team printte de hybride structuren op een zelfgebouwde digital-light processing (DLP)-gebaseerde multi-materiaal 3D-printer. Ze faciliteerden covalente binding tussen de AP-hydrogel en andere polymeren door onvolledige polymerisatie die werd geïnitieerd door een in water oplosbare foto-initiator. Het team toonde een aantal toepassingen op basis van deze aanpak om een ​​nieuwe manier voor te stellen om multifunctionele zachte apparaten en machines te realiseren door hydrogel te binden met diverse polymeer in 3D-vormen. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

De nieuwe benadering van 3D-printen

Hydrogels zijn waterhoudende polymeernetwerken die een verscheidenheid aan toepassingen hebben in biomedische apparaten en flexibele elektronica. Veel toepassingen in de materiaaltechniek combineren hydrogels met andere polymeren om hybride structuren te ontwerpen ter bescherming, versterken of nieuwe functionaliteiten toevoegen aan hydrogelconstructies zoals een op hydrogel gebaseerde glijmiddelhuid en elastomere anti-uitdrogingscoating. Echter, de meeste polymeren die hybriden vormen met hydrogels zijn meestal beperkt tot siliconenrubbers en laminaatstructuren die de functionaliteit en prestaties van dergelijke apparaten en machines beperken. Als resultaat, materiaalwetenschappers willen effectieve alternatieve strategieën ontwikkelen. In dit werk, Ge et al. rapporteerde een eenvoudige en veelzijdige multi-materiaal 3D-printbenadering om zeer complexe, hybride 3D-structuren. De nieuwe methode zal een efficiënte weg banen om zachte apparaten en machines te ontwikkelen met sterk uitgebreide functionaliteiten en prestaties.

Multi-materiaal 3D-printen met andere materialen

De materialen bevatten zeer rekbare hydrogels met een hoog watergehalte, covalent gebonden met diverse in water onoplosbare UV-uithardbare polymeren zoals elastomeren, stijve polymeren, vormgeheugenpolymeren en UV-uitgeharde methacrylaatnetwerken. Als proof-of-concept, ze gebruikten de multi-materiaal 3D-printbenadering en demonstreerden een aantal toepassingen, waaronder 4-D-printen van cardiovasculaire stents voor medicijnafgifte en 3D-printen van ionische geleiders. Ge et al. printte eerst de hydrogel-polymeerstructuren op een zelfgebouwde, hoge resolutie, zeer efficiënte, op digitale lichtverwerking gebaseerde multi-materiaal 3D-printer met behulp van een "bottom-up"-benadering. Tijdens het proces, gedigitaliseerd UV-licht dat door de UV-projector werd uitgestraald, werd onder de druktafel geplaatst en kon verticaal worden bewogen om de laagdikte van elke gedrukte laag te regelen. Een glazen oppervlak tussen de printfase en de UV-projector ondersteunde twee of drie plassen van polymeerprecursoroplossing om indien nodig een precursoroplossing te leveren. De wetenschappers gebruikten zeer rekbare en UV-uithardbare acrylamide-poly(ethyleenglycol) diacrylaat (PEGDA) met een hoog watergehalte. bekend als de AP-hydrogel. Ze verkregen de UV-uithardbare polymeren als commercieel verkrijgbare op methacrylaat gebaseerde 3D-printpolymeren.

Materiaal hechtmechanisme:

Het team onderzocht de mechanismen waardoor de AP-hydrogel stevig kon binden met andere op methacrylaat gebaseerde UV-uithardbare polymeren. Voor deze, ze bereidden de AP-hydrogelprecursoroplossing door de acrylamidepoeders te mengen, PEGDA-polymeer en in water oplosbare foto-initiatoren in water. Ze stemden het mechanische gedrag van het materiaal af door de verhouding van hybride polymeren te veranderen en door het watergehalte te regelen. De zelfbereide in water oplosbare foto-initiator (2, 4, 6-trimethylbenzoyldifenylfosfineoxide, afgekort als TPO) vormde een sleutelcomponent van de AP-hydrogelprecursoroplossing, waardoor het zeer UV-uithardbaar en 3D-afdrukbaar is. Om een ​​hybride structuur met de AP-hydrogel en andere polymeren in 3D te printen, Ge et al. koos ook een aantal commercieel verkrijgbare polymeerprecursoroplossingen zoals op methacrylaat gebaseerde monomeren, crosslinkers en oligomeren.

De multi-materiaal 3D-printmethode produceerde chemische structuren met het voorgestelde interface-bindingsmechanisme tussen AP-hydrogel en het methacrylaatmonomeer. De reactieve radicalen op het grensvlak van het materiaal maakten een chemische binding mogelijk tussen de polymeer- en hydrogellagen. Om het voorgestelde mechanisme van grensvlakbinding te valideren, Ge et al. voerde Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) uit en vergeleek de conversie en kinetiek van polymerisatie tussen de materialen. Ge et al. onderzocht vervolgens de grensvlaktaaiheid tussen de hydrogel en het UV-uithardbare polymeer door 180 graden afpeltests uit te voeren. De resultaten toonden aan dat de energie die nodig is om de hydrogel-polymeerinterface te breken groter is dan de energie die nodig is om de hydrogel zelf te breken.

Proof of concept:3D geprint, stijve polymeer-hydrogel composieten, cardiovasculaire stents en flexibele elektronische apparaten

Op basis van de eigenschappen van nieuwe materialen, Ge et al. gemakkelijk te ontwikkelen stijve, met polymeer versterkte hydrogelcomposieten met superieure mechanische prestaties en ontwerpflexibiliteit. Het team ontwierp een reeks microstructuren om de stijfheid te versterken en onderzocht de bestaande uitdaging van stijfheidsmismatch tussen hydrogels en menselijke weefsels, die ze demonstreerden door een meniscus te printen bestaande uit AP-hydrogel versterkt met een Vero-stijf polymeer. Ze hebben het materiaal mechanisch afgestemd door de rigide microstructuren te variëren om het materiaal te vertalen voor verbeterde functionaliteit en prestaties voor 3D-geprinte biologische materialen en weefsels. De wetenschappers gebruikten vervolgens vormgeheugenpolymeren (SMP's) als een ideaal 4D-printmateriaal om cardiovasculaire stents in 3D-vorm te printen die kunnen uitzetten in bloedvaten met stenose. Ze gebruikten multi-materiaal 3D-printen om de functionaliteit van het vrijgeven van geneesmiddelen in de cardiovasculaire SMP-stent over te brengen door hydrogel in het construct op te nemen.

Ze programmeerden de SMP-stent in een compacte vorm en herstelden zijn oorspronkelijke vorm bij implantatie bij een andere geprogrammeerde temperatuur. Met behulp van een multi-materiaal DLP (digital-light processing) printer, 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. Daarna, they employed the ionic conductivity of hydrogels as a promising property for flexible electronics. Voor deze, 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

Op deze manier, 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