Hydrogeler är tredimensionella (3-D) polymernätverk som kan hålla kvar stora mängder vatten i sina svullna tillstånd för breda tillämpningar inom bioteknik och materialvetenskap. Avancerade hydrogeltillverkningstekniker är under utveckling för att möta användarspecificerade krav med betydande begränsningar på de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos hydrogelprekursorer och tryckta strukturer. I en nyligen genomförd studie, Jikun Wang och medarbetare på State Key Lab for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Institutionen för teknisk mekanik, i Kina, föreslog en ny metod för att mönstra vätskor med kondensatorkanteffekten (PLEEC). Resultaten är nu publicerade i Vetenskapens framsteg .

Med den nya mönstringsmetoden, Wang et al. uppnådde en upplösning på 100 µm, samtidigt som de kan skapa ett komplett 3D-utskriftssystem som kombinerar mönstrings- och staplingsprocesser. Tekniken kan tillämpas på en mängd olika hydrogeler för att övervinna befintliga gränser. I arbetet, forskarna visade tryckta hydrogelstrukturer inklusive en hydrogelställning, en termokänslig hydrogelkomposit och en jonisk högintegritetshydrogeldisplayenhet. Den föreslagna tekniken kan erbjuda snabba prototyper av hydrogelenheter med flera sammansättningar och komplexa geometrier.

Additiv tillverkning eller 3D-utskrift är ett effektivt verktyg för att konstruera högstrukturerade, sammankopplade och porösa arkitekturer jämfört med konventionella gjutningsmetoder, fotomaskering och elektrospinning. Forskare har tidigare använt 3D-utskrift för att skapa mycket porösa hydrogelställningar för cellkulturer, som biomimetiska mikrochips för att studera sjukdomar, bygga konstgjorda heterogena vävnader inom regenerativ medicin och som biokompatibla organ med hög geometrisk precision. 3D-hydrogeler används också för att bygga ledande kompositer för mjuk robotik. Särskilt, datorstödd design (CAD) i 3D-utskrift är lämpad för att bygga högt programmerade och användarspecificerade hydrogelstrukturer för tillämpningar inom vävnadsteknik.

Tidigare etablerade metoder för hydrogelutskrift inkluderar konventionellt digital projektionslitografi (DLP), stereolitografi (SLA) och direkt bläckskrivning (DIW). Dock, sådana metoder är begränsade till mönstring med endast fotopolymeriserbara hydrogelprekursorer. Liknande, i DIW-utskriftsmetoden, hydrogelprekursorer är vattenliknande och svåra att avsätta om inte deras viskositet ökas med nanoleror, påverkar bearbetningstekniken. Elektriska fält är en annan teknik som har använts för att kontrollera vätskor via elektrovätning, dielektrofores och litografi inducerad självmontering. Även om teknikerna kan styra enstaka droppar mellan elektroderna för tillämpningar i cellkultur, mönstrad vätbarhet, mikrofluidik och mönstringselektronik, elektriska fält kan bara manipulera en enda droppe åt gången. Som ett resultat, tekniken saknar storskalig kontroll av vätskedroppar, med svårighet att använda dem i 3D-utskrift.

I detta arbete, Wang et al. föreslagna PLEEC (mönstervätskor med kondensatorkanteffekten) för att mönstra vätskor med olika fysikaliska och kemiska egenskaper. Metoden kan tillämpas på en mängd tvärbindningsmekanismer bland flera material. Forskarna använde en kondensator som var asymmetrisk i design för att möjliggöra konstruktionen av ett riktigt 3D-objekt än bara 2D-mönster byggda inom två elektroder. Baserat på den nya metoden, Wang et al. byggde 3D-utskriftssystemet, att tillhandahålla proof-of-concept tryckta hydrogelstrukturer inklusive en hydrogelställning, hydrogelkomposit och hydrogeljoniska enheter i studien.

PLEEC-panelen som föreslogs i studien innehöll fem lager, där det översta lagret (teflonfilm) fungerade som en hydrofob, isolerande lock för att separera vätskan från den övre elektroden. När forskarna applicerade ett elektriskt fält, kanteffekten genererade en elektrostatisk kraft som fångade vätskan ovanpå det hydrofoba lagret. Med hjälp av principen, forskarna designade flytande mönster med olika former och storlekar. Till exempel, det fångade blå bläcket bildade mönster av en Angry Bird och bokstäverna XJTU. Dessutom, forskarna använde en rad linjepixlar för att kontrollera och fånga vätska oberoende. Vidare, i en matris på 10 x 10 pixlar, forskarna kunde bilda en mängd olika vätskemönster som linjer, rutor och musiknoter. Med vidareutvecklad kretsstyrningsteknik, ytterligare komplexa vätskemönster kan utformas och kontrolleras med PLEEC.

Som ett bevis på konceptet fångade forskarna fyra hydrogelprekursorer med hjälp av ett elektriskt fält, att bilda olika strukturer. Till exempel, Wang et al. fångad 2-akrylamido-2-metylpropansulfonsyra (AMPS) lösning för att bilda en gul cirkel, som sedan polymeriserades till PAMPS-hydrogelen vid exponering för UV-ljus. De fångade sedan på liknande sätt akrylamidlösningen (AAm) för att bilda en röd fyrkant, som sedan polymeriserades till PAAm-hydrogelen genom värme. De två hydrogelprekursorerna (AMPS och AAm) var vattenlika och svåra att kontrollera via någon annan teknik till att börja med. Wang et al. bildade också ett blått kors med hjälp av alginatlösningen, som sedan polymeriserades till en spröd alginathydrogel via jonbyte, följt av en grön triangel bildad med hjälp av alginat/AAm-lösningen, som polymeriserades till en alginat/AAm seg hydrogel genom värme och jonbyte.

Förutom hydrogelprekursorer, Wang et al. kunde fånga funktionella material på liknande sätt genom att använda det elektriska fältet för att bilda gula vågiga linjer med N-isopropylakrylamidlösning, polymeriserades till temperaturkänsliga PNIPAM-hydrogeler. De bildade sedan ett rött hjärta med en polyetylenglykol-diakrylatlösning (PEGDA) som ofta används i bioteknikapplikationer, följt av den blå blixten bildad med infångad jonisk vätska som var joniskt ledande och icke-flyktig lämpad för sträckbara jonledare. En grön oändlighetsslinga är resultatet av instängt ljuskänsligt harts som används i stor utsträckning i 3D-utskrift. Forskarna visade på så sätt hur PLEEC kunde fånga en mängd olika hydrogellösningar för storskalig vätskemanipulation och hydrogel 3-D-utskrift. Det elektriska fältet kunde fånga en vattenlinje med en upplösning på 100 µm, mycket nära det som observerats med DLP och 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 the experimental setup, 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. I tur och ordning, 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 det här sättet, 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 ett 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