Analisi meccanica di un blocco pNIPAM fabbricato mediante litografia laser 3D. a) Micrografia ottica nell'AFM con indicazioni sovrapposte per le misurazioni della forza e la scansione lineare. La barra della scala è 50 µm. b) Modulo di Young misurato in funzione della temperatura per un riscaldamento e raffreddamento graduale del campione. c) Misurazione dell'altezza tramite scansione lineare dal substrato di vetro sopra il blocco pNIPAM. I diversi colori rappresentano diversi cicli di riscaldamento e raffreddamento. Credito:Hippler et al.
Un team di ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e dell'Università di Heidelberg ha recentemente introdotto etero-microstrutture funzionali 3-D basate su Poly (N-isopropylacrylamide) (pNIPAM), un polimero che risponde ai cambiamenti di temperatura vicini alla sua soluzione critica inferiore temperatura.
Le microstrutture stimolanti sono di fondamentale importanza per la creazione di sistemi adattabili, che possono avere interessanti applicazioni nella robotica morbida e nelle bioscienze. Per l'applicazione pratica, però, i materiali devono essere compatibili con gli ambienti acquosi e allo stesso tempo consentire la produzione di strutture 3D, ad esempio, utilizzando la stampa 3D.
"La stampa 3D mediante scrittura laser diretta è una tecnica potente che consente la produzione di quasi tutte le strutture stabili arbitrarie nell'intervallo dei micrometri, "Marc Hippler, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Però, per molte applicazioni, soprattutto in campo biomedico, è desiderabile modificare le proprietà della microstruttura risultante su richiesta, in quanto ciò consente il passaggio da sistemi passivi a sistemi attivi. Volevamo presentare una tecnica potente e versatile per creare tali strutture".
Per ottenere schemi di attuazione complessi, i ricercatori devono utilizzare materiali che reagiscono in modo diverso agli stimoli esterni, come temperatura e luce. Hippler e i suoi colleghi hanno così sviluppato nuove etero-microstrutture 3-D basate su N-isopropilacrilammide, un monomero termosensibile disponibile in commercio.
Valvole pNIPAM sensibili agli stimoli nei microcanali PETA. a) Ricostruzione 3D di dati sperimentali registrati tramite microscopia confocale a scansione laser. Sono stati registrati due diversi canali di colore, permettendo di separare la fluorescenza dalla PETA con il DETC fluorescente verde e quella da pNIPAM con il colorante rodamina fluorescente rosso. Le corrispondenti superfici di isointensità sono colorate in turchese e grigio, rispettivamente. Dopo aver riscaldato il campione a 45 °C, l'apertura al centro si allarga. Questo processo è reversibile quando si raffredda nuovamente il campione. b) Area aperta nel mezzo del microcanale a 20 ° C e 45 ° C per più cicli di stimolazione. Non troviamo alcun deterioramento significativo. c) Design alternativo con una camera d'aria aggiuntiva e due pNIPAM-tori. La chiusura completa del microcanale può essere ottenuta in modo reversibile. Le barre della scala sono 30 µm. Credito:Hippler et al.
"Un obiettivo importante del nostro studio era quello di ottenere risposte forti con uno stimolo 'leggero', " ha detto Hippler. " Aumentando la temperatura solo leggermente al di sopra della temperatura ambiente rimaniamo in un intervallo fisiologico, che rende il sistema interessante per applicazioni biologiche. Si potrebbe, Per esempio, pensa alle singole cellule in scaffold 3D che sono stimolate meccanicamente dal loro ambiente. Abbiamo anche dimostrato che questa tecnica potrebbe essere utile per altri campi, come la microfluidica o la robotica morbida".
Hippler e i suoi colleghi hanno dimostrato che modificando la dose di esposizione locale nella litografia laser 3D, i parametri del materiale possono essere modificati su richiesta. Hanno quindi esplorato ulteriormente questa possibilità per creare architetture 3D con grande ampiezza e risposte complesse.
Usando il loro metodo, i ricercatori hanno creato con successo strutture attive che mostrano una risposta di grande ampiezza ai cambiamenti di temperatura. Inoltre, hanno dimostrato che la risposta di queste strutture può essere attivata sia globalmente, modificando la temperatura dell'acqua, e localmente, illuminando la microstruttura desiderata con un fuoco laser.
Attuazione indotta dalla temperatura utilizzando etero-microstrutture basate su pNIPAM. a) Schema di eterostrutture bimateriche con i due materiali evidenziati in verde e grigio, esposizione a dosi più basse e più alte, rispettivamente. Questi possono essere confrontati con le ricostruzioni 3D di pile di immagini di fluorescenza misurate. In blu e rosso sono evidenziate le due temperature T =20 °C e T =45 °C, rispettivamente. Le travi iniziano dritte a T =20 °C e sono curve a T =45 °C. b Curvatura, cioè., raggio inverso ottenuto adattando un cerchio ai dati sperimentali, contro la temperatura. Il pannello di destra mostra il risultato di dodici cicli di temperatura senza deterioramento (le barre di errore sono s.d.). c) Micrografie ottiche in campo chiaro di un array 3 × 3 di strutture nominalmente identiche per dimostrare la riproducibilità. d) Dipendenza dalla temperatura di cinque strutture con lunghezze di travi diverse preparate in condizioni di fabbricazione identiche. Le barre di scala sono 20 µm in aeb e 50 µm in c e d. Credito:Hippler et al.
"Abbiamo dimostrato una tecnica molto versatile e potente che può essere impiegata e utilizzata da altre persone, " ha detto Hippler. "Penso che tre degli aspetti principali del nostro studio siano la creazione di materiali con proprietà ampiamente diverse da un singolo fotoresist, la forte attivazione dovuta a uno stimolo lieve e l'opportunità di utilizzare la luce per innescare la risposta. Grazie a questa versatilità, non ci siamo concentrati su una particolare applicazione, ma ha evidenziato diverse possibilità".
Nel futuro, questi risultati potrebbero informare lo sviluppo di materiali con applicazioni in una varietà di campi, compresa la microfluidica, robotica morbida e bioscienze. Hippler ora continuerà a lavorare su questo sistema, concentrandosi in particolare su esperimenti biologici.
"Inoltre, indagheremo altri sistemi di materiali sensibili agli stimoli con proprietà interessanti che potrebbero essere utilizzati per la scrittura laser diretta, " Egli ha detto.
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