Hydrogel-polymerhybrider används i stor utsträckning inom en mängd olika applikationer för att bilda biomedicinska enheter och flexibel elektronik. Dock, Teknikerna är för närvarande begränsade till hydrogel-polymer-hybridlaminat som innehåller silikongummi. Detta kan avsevärt begränsa funktionaliteten och prestandan hos hydrogel-polymerbaserade enheter och maskiner. I en ny studie, Qi Ge, och ett team av forskare inom mekanik, mekatroniska system, flexibel elektronik, kemi och avancerad design i Kina, Singapore och Israel visade ett enkelt och mångsidigt tillvägagångssätt för tredimensionell (3-D) utskrift av flera material. Metoden möjliggjorde utvecklingen av komplexa hybrid-3D-strukturer innehållande mycket töjbar och hög vattenhalt akrylamid-poly(etylenglykol)diakrylat (PEGDA) förkortat AP-hydrogeler, kovalent bunden med olika ultravioletta (UV) härdbara polymerer. Teamet skrev ut hybridstrukturerna på en självbyggd digital-ljusbehandling (DLP)-baserad multi-material 3-D-skrivare. De underlättade kovalent bindning mellan AP-hydrogelen och andra polymerer genom ofullständig polymerisation initierad av en vattenlöslig fotoinitiator. Teamet visade några applikationer baserade på detta tillvägagångssätt för att föreslå ett nytt sätt att realisera multifunktionella mjuka enheter och maskiner genom att binda hydrogel med olika polymerer i 3D-former. Verket är nu publicerat på Vetenskapens framsteg .

Den nya metoden för 3D-utskrift

Hydrogeler är vatteninnehållande polymernätverk som har en mängd olika tillämpningar för biomedicinska enheter och flexibel elektronik. Många applikationer inom materialteknik kombinerar hydrogeler med andra polymerer för att designa hybridstrukturer för att skydda, förstärka eller lägga till nya funktioner till hydrogelkonstruktioner som hydrogelbaserad glidmedelshud och elastomer antidehydreringsbeläggning. Dock, de flesta polymerer som bildar hybrider med hydrogeler är mestadels begränsade till silikongummi och laminatstrukturer som begränsar funktionaliteten och prestanda hos sådana enheter och maskiner. Som ett resultat, materialvetare strävar efter att utveckla effektiva alternativa strategier. I det här arbetet, Ge et al. rapporterade en enkel och mångsidig multi-material 3-D-utskriftsmetod för att utveckla mycket komplexa, hybrid 3D-strukturer. Den nya metoden kommer att bana en effektiv väg för att utveckla mjuka enheter och maskiner med kraftigt utökade funktioner och prestanda.

Multimaterial 3D-utskrift med andra material

Materialen innehöll mycket töjbara hydrogeler med hög vattenhalt, kovalent bunden med olika vattenolösliga UV-härdbara polymerer såsom elastomerer, stela polymerer, formminnespolymerer och UV-härdade metakrylatnätverk. Som proof of concept, de använde multimaterial 3-D-utskriftsmetoden och visade ett antal tillämpningar inklusive 4-D-utskrift av kardiovaskulära stentar för läkemedelstillförsel och 3-D-utskrift av jonledare. Ge et al. först tryckte hydrogel-polymerstrukturerna på en självbyggd, hög upplösning, högeffektiv digital-ljus-bearbetning-baserad multi-material 3-D skrivare som använder en "bottom-up"-metod. Under processen, digitaliserat UV-ljus som bestrålades från UV-projektorn placerades under utskriftsstadiet och kunde flyttas vertikalt för att kontrollera skikttjockleken för varje utskrivet lager. En glasyta mellan utskriftsstadiet och UV-projektorn stödde två eller tre polymerprekursorlösningspölar för att leverera en prekursorlösning efter behov. Forskarna använde mycket töjbar och UV-härdbar UV-härdbar akrylamid-poly(etylenglykol) diakrylat (PEGDA) med hög vattenhalt. känd som AP-hydrogelen. De erhöll de UV-härdbara polymererna som kommersiellt tillgängliga metakrylatbaserade 3-D-utskriftspolymerer.

Materialbindningsmekanism

Teamet undersökte mekanismerna som gjorde att AP-hydrogelen kunde binda fast med andra metakrylatbaserade UV-härdbara polymerer. För detta, de beredde AP-hydrogelprekursorlösningen genom att blanda akrylamidpulvret, PEGDA-polymer och vattenlösliga fotoinitiatorer i vatten. De anpassade materialets mekaniska beteende genom att ändra förhållandet mellan hybridpolymerer och genom att reglera vattenhalten. Den självberedda vattenlösliga fotoinitiatorn (2, 4, 6-trimetylbensoyldifenylfosfinoxid förkortat TPO) utgjorde en nyckelkomponent i AP-hydrogelprekursorlösningen, vilket gör den mycket UV-härdbar och 3D-utskrivbar. För att 3-D skriva ut en hybridstruktur som innehåller AP-hydrogelen och andra polymerer, Ge et al. valde också ett antal kommersiellt tillgängliga polymerprekursorlösningar såsom metakrylatbaserade monomerer, tvärbindare och oligomerer.

Multimaterial 3-D-utskriftsmetoden producerade kemiska strukturer med den föreslagna gränssnittsbindningsmekanismen mellan AP-hydrogel och metakrylatmonomeren. De reaktiva radikalerna vid materialgränsytan möjliggjorde kemisk bindning mellan polymer- och hydrogelskikten. För att validera den föreslagna mekanismen för gränssnittsbindning, Ge et al. genomförde Fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi och jämförde omvandlingen och kinetiken för polymerisation mellan materialen. Ge et al. undersökte sedan gränsytsegheten mellan hydrogelen och den UV-härdbara polymeren genom att utföra 180 graders skalningstest. Resultaten visade att energin som behövdes för att bryta hydrogel-polymergränsytan var större än energin som behövdes för att bryta själva hydrogelen.

Proof of concept:3D-utskriven, styva polymer-hydrogel-kompositer, kardiovaskulära stentar och flexibla elektroniska enheter

Baserat på egenskaperna hos nya material, Ge et al. lättutvecklade styva polymerförstärkta hydrogelkompositer med överlägsen mekanisk prestanda och designflexibilitet. Teamet designade en serie mikrostrukturer för att förstärka styvheten och utforskade den befintliga utmaningen med styvhetsfel mellan hydrogeler och mänskliga vävnader, vilket de demonstrerade genom att trycka en menisk bestående av AP-hydrogel förstärkt med en Vero-styv polymer. De trimmade materialet mekaniskt genom att variera de stela mikrostrukturerna för att översätta materialet för förbättrad funktionalitet och prestanda för 3-D-tryckta biologiska material och vävnader. Forskarna använde sedan formminnespolymerer (SMP) som ett idealiskt 4-D-utskriftsmaterial för att 3-D-printa kardiovaskulära stentar som kan expandera i blodkärl med stenos. De använde multimaterial 3-D-utskrift för att överföra läkemedelsfrigörande funktionalitet till den kardiovaskulära SMP-stenten genom att inkludera hydrogel i konstruktionen.

De programmerade SMP-stenten till en kompakt form och återställde sin ursprungliga form vid implantation vid en annan programmerad temperatur. Använda en multi-material DLP (digital-light processing) skrivare, de utvecklade SMP-hydrogel-stenten och laddade ett rött färgämne i konstruktionen för att efterlikna läkemedelsfrisättning. The team conducted the experiment in a plastic tube to show stent expansion upon implantation and hydrogel-based drug release. Därefter, they employed the ionic conductivity of hydrogels as a promising property for flexible electronics. För detta, 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.

Syn

På det här sättet, 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