Гидрогели представляют собой трехмерные (3-D) полимерные сети, которые могут удерживать большое количество воды в набухших состояниях для широкого применения в биоинженерии и материаловедении. В настоящее время разрабатываются передовые технологии изготовления гидрогеля, чтобы удовлетворить установленные пользователем требования с существенными ограничениями на физические и химические свойства предшественников гидрогеля и печатных структур. В недавнем исследовании, Jikun Wang и сотрудники Государственной лаборатории по прочности и вибрации механических конструкций, Департамент инженерной механики, в Китае, предложили новый метод моделирования жидкостей с эффектом краев конденсатора (PLEEC). Результаты теперь опубликованы в журнале Science Advances.

Используя новый метод формирования паттернов, Wang et al. достигнуто разрешение 100 мкм, что позволило им создать полноценную систему 3-D печати, сочетающую процессы нанесения рисунков и укладки. Техника может быть применена к широкому кругу гидрогелей для преодоления существующих ограничений. В работе ученые продемонстрировали печатные гидрогелевые структуры, в том числе гидрогелевый каркас, термореактивный гидрогелевый композит и ионное высокогерметичное устройство отображения гидрогеля. Предлагаемая методика может предложить быстрое прототипирование гидрогелевых устройств с несколькими составами и сложной геометрией.

Аддитивное производство или 3-D печать — эффективный инструмент для проектирования высокоструктурированных, взаимосвязанных и пористых архитектур по сравнению с обычными методами литья, фотомаскирования и электроспиннинга . Исследователи ранее использовали трехмерную печать для создания высокопористыхгидрогелевых каркасов для клеточных культур, в качестве биомиметических микрочипов для изучения заболеваний, создания искусственных гетерогенных тканей в регенеративной медицине и в качестве биосовместимых органов с высокой геометрической точностью. Трехмерные гидрогели также используются для создания проводящих композитов для мягкой робототехники . В частности, автоматизированное проектирование (CAD) в 3-D печати подходит для создания высокопрограммированных и определенных пользователем структур гидрогеля. для применения в тканевой инженерии.

Ранее установленные методы для печати на гидрогеле обычно включают цифровую проекционную литографию (DLP), стереолитографию (SLA) и прямую чернильную печать (DIW). Однако такие способы ограничены структурированием только с фотополимеризуемымипредшественниками гидрогеля. Точно так же в способе DIW-печати предшественники гидрогеля являются водоподобными и их трудно наносить, если их вязкость не увеличивается при использовании наноглин , что влияет на технологию обработки. Электрические поля — это еще один метод, который используется для контроля жидкостей посредством самосборки, вызванной электровосстановлением , диэлектрофорезом и литографией., Хотя методы могут контролировать отдельные капли между электродами для применений в клеточной культуре , смачиваемости с рисунком , микрофлюидике и структурировании электроники, электрические поля могут манипулировать только одной каплей за раз. В результате в этой технологии отсутствует контроль крупномасштабных капель жидкости, что затрудняет их использование в трехмерной печати.

В настоящей работе Wang et al. Предлагается PLEEC (моделирование жидкостей с эффектом краевого конденсатора) для моделирования жидкостей с различными физическими и химическими свойствами. Способ может быть применен к различным механизмам сшивания среди множества материалов. Ученые использовали конденсатор, который был асимметричным по конструкции, чтобы позволить построить настоящий трехмерный объект, а не просто двухмерные структуры, построенные в двух электродах. Основываясь на новом методе, Wang et al. построил систему 3-D печати, чтобы обеспечить проверенные конструкции печатных гидрогелевых структур, включая гидрогелевый каркас, гидрогелевый композит и гидрогелевые ионные устройства в исследовании.

Панель PLEEC, предложенная в исследовании, содержала пять слоев, где верхний слой (тефлоновая пленка) выполнял роль гидрофобного изолирующего покрытия для отделения жидкости от верхнего электрода. Когда ученые применили электрическое поле , краевой эффектгенерировал электростатическую силу, которая захватила жидкость поверх гидрофобного слоя. Используя этот принцип, ученые разработали жидкие узоры с различными формами и размерами. Например, пойманные в ловушку синие чернила сформировали образцы Сердитой Птицы и букв XJTU. Кроме того, ученые использовали массив линейных пикселей для независимого контроля и улавливания жидкости. Кроме того, в массиве 10 х 10 пикселей ученые смогли сформировать множество жидких узоров, таких как линии, квадраты и музыкальные ноты. С дальнейшей разработкой технологии управления контурами дополнительные сложные жидкостные схемы могут быть разработаны и контролироваться с использованием PLEEC.

В качестве доказательства концепции ученые поймали четыре предшественника гидрогеля с помощью электрического поля, чтобы сформировать разнообразные структуры. Например, Wang et al. захваченный раствор 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (AMPS) с образованием желтого круга, который затем полимеризуется в гидрогель PAMPS под воздействием ультрафиолетового излучения. Затем они аналогичным образом улавливают раствор акриламида (AAm) с образованием красного квадрата, который затем полимеризуется в гидрогель PAAm под действием тепла. Два предшественника гидрогеля (AMPS и AAm) были похожи на воду и их было трудно контролировать с помощью любой другой техники с самого начала. Ван и соавт. также образовался синий крест с использованием раствора альгината, который затем полимеризовался в хрупкий альгинатный гидрогель посредством ионного обмена, за которым следовал зеленый треугольник, образованный с использованием раствора альгината / AAm, который полимеризовался в жесткий гидрогель альгинат / AAm под действием тепла и ионного обмена.

Помимо предшественников гидрогеля, Wang et al. были в состоянии поймать функциональные материалы аналогичным образом, используя электрическое поле для формирования желтых волнистых линий с использованием раствора N-изопропилакриламида, полимеризованного в чувствительные к температуре гидрогели PNIPAM . Затем они сформировали красное сердце с использованием раствора полиэтиленгликольдиакрилата (PEGDA), широко используемого в биоинженерных приложениях , за которым последовала голубая вспышка, образованная захваченной ионной жидкостью, которая была ионопроводящей и нелетучей, подходящей для растягиваемых ионных проводников., Зеленая бесконечная форма петли была получена в результате улавливания светочувствительной смолы, широко используемой в 3-D печати. Таким образом, ученые продемонстрировали, как PLEEC может улавливать широкий спектр растворов гидрогеля для крупномасштабных манипуляций с жидкостью и 3-D печати на гидрогеле. Электрическое поле могло захватить линию воды с разрешением 100 мкм, очень близкое к тому, которое наблюдалось при DLP и SLA.

Ван и соавт. полимеризовал рисунки предшественников двумерного гидрогеля и укладывал их послойно, чтобы затем образовать трехмерную структуру. В экспериментальной установке жидкости протекали через разработанные электроды, образуя жидкие структуры, захваченные электрическим полем. Прозрачная платформа для отверждения затем приблизилась к жидкому рисунку, чтобы полимеризовать его в плоскости печати с использованием УФ-света. Ученые определили скорость печати методом PLEEC путем определения времени формирования рисунка жидкости, которое было порядка 10 ¹с, а время полимеризации — порядка 10 ² с, сравнимого с техникой DLP.

Основываясь на процессе PLEEC, Wang et al. разработал полную печатную систему PLEEC 3-D, состоящую из семи частей: механический модуль, панель PLEEC, блок добавления раствора, платформу для отверждения, блок для отверждения, блок питания и модуль управления. Ученые использовали решение, добавляющее отверстия в установке, чтобы выдавливать растворы гидрогеля на панель PLEEC и ультрафиолетовую лампу в устройстве отверждения, чтобы завершить внутреннюю систему печати. Они регулировали электропитание с помощью блока управления, чтобы обеспечить низкое напряжение для механического перемещения модуля и более высокое напряжение — до 3000 В при 1 кГц на панель PLEEC. В свою очередь Wang et al. управлял модулем управления с помощью центрального компьютера для отправки инструкций всем устройствам.

Используя собственную систему печати, ученые разработали гидрогелевую композицию, содержащую различное процентное содержание растворов PAAm и PNIPAM, которые они полимеризовали в форме человеческой руки, после чего вызвало термореактивное поведение, чтобы сформировать жесты пальца «ХОРОШО» и «ХОРОШО.» Ученые также использовали ту же экспериментальную установку, чтобы создать растягиваемые светодиодные ленты и устройства с мягким дисплеем, где каждый светодиод в системе мог быть освещен независимо.

Таким образом, Wang et al. предложил новую конструкцию панели PLEEC для создания сложных жидких рисунков и передал концепцию создания системы 3-D печати, как продемонстрировано. Технология имеет ряд преимуществ и предлагает значительную универсальность по сравнению с существующими методами гидрогелевой 3-D печати. В качестве подтверждения концепции они использовали широкий спектр гидрогелей с различными физическими или химическими свойствами в системе и продемонстрировали возможность использования материалов с различной вязкостью, связанных физически или химически, для создания интересующих структур. Множество гидрогелевых материалов также может быть легко структурировано для образования множества мягких и твердых активных и пассивных гидрогелевых композитов. Они собрали ионопроводящие гидрогели в одностадийном процессе отверждения для простоты, демонстрируя превосходную целостность и свойства связывания.

Исследователи стремятся повысить точность технологии в будущем и оптимизировать установку 3-D печати PLEEC для ускорения быстрого прототипирования. Оптимизированный метод обеспечит динамическое применение в тканевой инженерии, такое как искусственные ткани, мягкие метаматериалы в материаловедении, мягкая электроника и мягкая робототехника.