Gli idrogel sono reti polimeriche tridimensionali (3-D) in grado di trattenere grandi quantità di acqua nel loro stato di rigonfiamento per ampie applicazioni in bioingegneria e scienze dei materiali. Sono in fase di sviluppo tecniche avanzate di fabbricazione di idrogel per soddisfare i requisiti specificati dall'utente con vincoli sostanziali posti alle proprietà fisiche e chimiche dei precursori di idrogel e delle strutture stampate. In un recente studio, Jikun Wang e collaboratori presso il Key Lab statale per la resistenza e le vibrazioni delle strutture meccaniche, Dipartimento di Ingegneria Meccanica, in Cina, ha proposto un nuovo metodo per modellare i liquidi con l'effetto del bordo del condensatore (PLEEC). I risultati sono ora pubblicati in Progressi scientifici .

Utilizzando il nuovo metodo di modellazione, Wang et al. raggiunto una risoluzione di 100 µm, consentendo loro anche di stabilire un sistema di stampa 3D completo che combinava i processi di modellazione e impilamento. La tecnica può essere applicata a un'ampia varietà di idrogel per superare i limiti esistenti. Nel lavoro, gli scienziati hanno dimostrato strutture di idrogel stampate tra cui un'impalcatura di idrogel, un composito di idrogel termoreattivo e un dispositivo di visualizzazione di idrogel ionico ad alta integrità. La tecnica proposta può offrire dispositivi idrogel di prototipazione rapida con composizioni multiple e geometrie complesse.

La produzione additiva o la stampa 3D è uno strumento efficace per progettare progetti altamente strutturati, architetture interconnesse e porose rispetto ai tradizionali metodi di colata, fotomascheramento ed elettrofilatura. I ricercatori hanno precedentemente utilizzato la stampa 3D per creare scaffold di idrogel altamente porosi per colture cellulari, come microchip biomimetici per studiare le malattie, costruire tessuti artificiali eterogenei in medicina rigenerativa e come organi biocompatibili con elevata precisione geometrica. Gli idrogel 3D vengono utilizzati anche per costruire compositi conduttivi per la robotica morbida. In particolare, La progettazione assistita da computer (CAD) nella stampa 3D è adatta per costruire strutture di idrogel altamente programmate e specificate dall'utente per applicazioni nell'ingegneria dei tessuti.

I metodi precedentemente stabiliti per la stampa con idrogel includono convenzionalmente la litografia a proiezione digitale (DLP), stereolitografia (SLA) e scrittura a inchiostro diretto (DIW). Però, tali metodi sono limitati al patterning con i soli precursori di idrogel fotopolimerizzabili. Allo stesso modo, nel metodo di stampa DIW, i precursori di idrogel sono simili all'acqua e difficili da depositare a meno che la loro viscosità non venga aumentata con nanoargille, influenzando la tecnica di lavorazione. I campi elettrici sono un'altra tecnica che è stata utilizzata per controllare i liquidi tramite elettrowetting, autoassemblaggio indotto da dielettroforesi e litografia. Sebbene le tecniche possano controllare singole goccioline tra gli elettrodi per applicazioni in coltura cellulare, bagnabilità modellata, microfluidica e modellistica elettronica, i campi elettrici possono manipolare solo una singola goccia alla volta. Di conseguenza, la tecnica manca di un controllo su vasta scala delle goccioline di liquido, con difficoltà del loro utilizzo nella stampa 3D.

Nel presente lavoro, Wang et al. proposto PLEEC (patterning liquidi con l'effetto condensatore bordo) per modellare liquidi con diverse proprietà fisiche e chimiche. Il metodo può essere applicato a una varietà di meccanismi di reticolazione tra più materiali. Gli scienziati hanno utilizzato un condensatore dal design asimmetrico per consentire la costruzione di un vero oggetto 3-D rispetto a semplici modelli 2-D costruiti all'interno di due elettrodi. Sulla base del nuovo metodo, Wang et al. costruito il sistema di stampa 3D, fornire strutture di idrogel stampate proof-of-concept tra cui un'impalcatura di idrogel, compositi idrogel e dispositivi ionici idrogel nello studio.

Il pannello PLEEC proposto nello studio conteneva cinque strati, dove lo strato superiore (film di teflon) ha agito da idrofobo, copertura isolante per separare il liquido dall'elettrodo superiore. Quando gli scienziati hanno applicato un campo elettrico, l'effetto bordo ha generato una forza elettrostatica che ha intrappolato il liquido sopra lo strato idrofobo. Usando il principio, gli scienziati hanno progettato modelli liquidi con diverse forme e dimensioni. Ad esempio, l'inchiostro blu intrappolato formava i motivi di un Angry Bird e le lettere XJTU. Inoltre, gli scienziati hanno utilizzato una serie di pixel di linea per controllare e intrappolare il liquido in modo indipendente. Per di più, in una matrice di 10 x 10 pixel, gli scienziati sono stati in grado di formare una varietà di modelli liquidi come linee, quadrati e note musicali. Con la tecnologia di controllo del circuito ulteriormente sviluppata, ulteriori modelli liquidi complessi potrebbero essere progettati e controllati utilizzando PLEEC.

Come prova del concetto, gli scienziati hanno intrappolato quattro precursori di idrogel utilizzando un campo elettrico, formare strutture diverse. Per esempio, Wang et al. soluzione di acido 2-acrilammido-2-metilpropansolfonico (AMPS) intrappolata per formare un cerchio giallo, che poi polimerizzato nell'idrogel PAMPS per esposizione alla luce UV. Hanno poi intrappolato in modo simile la soluzione di acrilammide (AAm) per formare un quadrato rosso, che poi polimerizzato nell'idrogel PAAm dal calore. I due precursori dell'idrogel (AMPS e AAm) erano simili all'acqua e difficili da controllare con qualsiasi altra tecnica. Wang et al. ha anche formato una croce blu usando la soluzione di alginato, che poi polimerizzato in un idrogel alginato fragile tramite scambio ionico, seguito da un triangolo verde formato utilizzando la soluzione di alginato/AAm, che polimerizza in un idrogel resistente di alginato/AAm mediante scambio di calore e ioni.

Oltre ai precursori di idrogel, Wang et al. sono stati in grado di intrappolare materiali funzionali in modo simile utilizzando il campo elettrico per formare linee ondulate gialle utilizzando una soluzione di N-isopropil acrilammide, polimerizzati in idrogel PNIPAM sensibili alla temperatura. Hanno quindi formato un cuore rosso utilizzando una soluzione di polietilenglicole diacrilato (PEGDA) ampiamente utilizzata nelle applicazioni di bioingegneria, followed by the blue flash formed with trapped ionic liquid that was ionically conductive and non-volatile suited for stretchable ionic conductors. A green infinity loop shape resulted from trapped photosensitive resin widely used in 3-D printing. The scientists thus demonstrated how PLEEC could trap a wide variety of hydrogel solutions for large-scale liquid manipulation and hydrogel 3-D printing. The electric field was able to trap a line of water at 100 µm resolution, very close to that observed with DLP and 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. A sua volta, 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.

In questo modo, 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. Come prova di concetto, 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.

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