Gli ibridi idrogel-polimero sono ampiamente utilizzati in una varietà di applicazioni per formare dispositivi biomedici ed elettronica flessibile. Però, le tecnologie sono attualmente limitate a laminati ibridi idrogel-polimero contenenti gomme siliconiche. Ciò può limitare notevolmente la funzionalità e le prestazioni dei dispositivi e delle macchine a base di polimeri di idrogel. In un nuovo studio, Qi Ge, e un team di scienziati in meccanica, sistemi meccatronici, elettronica flessibile, chimica e design avanzato in Cina, Singapore e Israele hanno dimostrato un approccio di stampa tridimensionale (3D) multimateriale semplice e versatile. Il metodo ha permesso lo sviluppo di complesse strutture ibride 3-D contenenti acrilammide-poli(etilenglicole)diacrilato (PEGDA) altamente estensibili e ad alto contenuto di acqua abbreviati come idrogel AP, legato covalentemente con diversi polimeri polimerizzabili con raggi ultravioletti (UV). Il team ha stampato le strutture ibride su una stampante 3D multimateriale basata sull'elaborazione della luce digitale (DLP) autocostruita. Hanno facilitato il legame covalente tra l'idrogel AP e altri polimeri attraverso una polimerizzazione incompleta avviata da un fotoiniziatore solubile in acqua. Il team ha mostrato alcune applicazioni basate su questo approccio per proporre un nuovo modo di realizzare dispositivi e macchine morbidi multifunzionali unendo l'idrogel con diversi polimeri in forme 3D. L'opera è ora pubblicata su Progressi scientifici .

Il nuovo approccio alla stampa 3D

Gli idrogel sono reti polimeriche contenenti acqua che hanno una varietà di applicazioni su dispositivi biomedici ed elettronica flessibile. Molte applicazioni nell'ingegneria dei materiali combinano idrogel con altri polimeri per progettare strutture ibride per proteggere, rinforzare o aggiungere nuove funzionalità ai costrutti di idrogel come la pelle lubrificante a base di idrogel e il rivestimento antidisidratazione elastomerico. Però, la maggior parte dei polimeri che formano ibridi con idrogel sono per lo più limitati a gomme siliconiche e strutture laminate che limitano la funzionalità e le prestazioni di tali dispositivi e macchine. Di conseguenza, gli scienziati dei materiali mirano a sviluppare strategie alternative efficaci. In questo lavoro, Get et al. ha riportato un approccio di stampa 3D multi-materiale semplice e versatile per sviluppare strutture ibride 3-D. Il nuovo metodo aprirà un percorso efficiente per sviluppare dispositivi e macchine soft con funzionalità e prestazioni notevolmente estese.

Stampa 3D multimateriale con altri materiali

I materiali contenevano idrogel altamente estensibili con un alto contenuto di acqua, legato in modo covalente con diversi polimeri polimerizzabili UV insolubili in acqua come elastomeri, polimeri rigidi, polimeri a memoria di forma e reti di metacrilato UV-cured. Come prova del concetto, hanno utilizzato l'approccio di stampa 3D multimateriale e hanno dimostrato una serie di applicazioni, tra cui la stampa di stent cardiovascolari in 4D per la somministrazione di farmaci e la stampa di conduttori ionici in 3D. Get et al. prima stampato le strutture idrogel-polimero su un autocostruito, alta risoluzione, stampante 3D multimateriale ad alta efficienza basata sull'elaborazione digitale della luce utilizzando un approccio "bottom-up". Durante il processo, La luce UV digitalizzata irradiata dal proiettore UV è stata posta sotto la fase di stampa e poteva essere spostata verticalmente per controllare lo spessore dello strato di ogni strato stampato. Una superficie di vetro tra la fase di stampa e il proiettore UV supportava due o tre pozzanghere di soluzione di precursori polimerici per fornire una soluzione di precursore come richiesto. Gli scienziati hanno utilizzato acrilammide-poli(etilene glicole) diacrilato (PEGDA) altamente estensibile e ad alto contenuto di acqua polimerizzabile ai raggi UV. noto come idrogel AP. Hanno ottenuto i polimeri polimerizzabili ai raggi UV come polimeri di stampa 3D a base di metacrilato disponibili in commercio.

Meccanismo di incollaggio dei materiali

Il team ha esplorato i meccanismi che hanno permesso all'idrogel AP di legarsi saldamente ad altri polimeri polimerizzabili UV a base di metacrilato. Per questo, hanno preparato la soluzione precursore dell'idrogel AP mescolando le polveri di acrilammide, Polimero PEGDA e fotoiniziatori idrosolubili in acqua. Hanno messo a punto il comportamento meccanico del materiale modificando il rapporto dei polimeri ibridi e regolando il contenuto di acqua. Il fotoiniziatore solubile in acqua autopreparato (2, 4, Il 6-trimetilbenzoil difenilfosfina ossido abbreviato in TPO) ha formato un componente chiave della soluzione precursore dell'idrogel AP, rendendolo altamente polimerizzabile ai raggi UV e stampabile in 3D. Per stampare in 3D una struttura ibrida contenente l'AP-idrogel e altri polimeri, Get et al. ha anche scelto una serie di soluzioni di precursori polimerici disponibili in commercio come monomeri a base di metacrilato, reticolanti e oligomeri.

Il metodo di stampa 3D multimateriale ha prodotto strutture chimiche con il meccanismo di legame dell'interfaccia proposto tra l'idrogel AP e il monomero di metacrilato. I radicali reattivi all'interfaccia del materiale hanno consentito il legame chimico tra il polimero e gli strati di idrogel. Per convalidare il meccanismo proposto di legame interfacciale, Get et al. ha condotto la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) e ha confrontato la conversione e la cinetica della polimerizzazione tra i materiali. Get et al. ha quindi studiato la tenacità dell'interfaccia tra l'idrogel e il polimero polimerizzabile ai raggi UV eseguendo test di peeling a 180 gradi. I risultati hanno mostrato che l'energia necessaria per rompere l'interfaccia idrogel-polimero è maggiore dell'energia necessaria per rompere l'idrogel stesso.

Prova del concetto:stampa 3D, compositi rigidi polimero-idrogel, stent cardiovascolari e dispositivi elettronici flessibili

Sulla base delle proprietà dei nuovi materiali, Get et al. compositi idrogel rigidi rinforzati con polimeri di facile sviluppo con prestazioni meccaniche superiori e flessibilità di progettazione. Il team ha progettato una serie di microstrutture per rafforzare la rigidità ed ha esplorato la sfida esistente della mancata corrispondenza della rigidità tra idrogel e tessuti umani, che hanno dimostrato stampando un menisco costituito da idrogel AP rinforzato da un polimero rigido Vero. Hanno messo a punto meccanicamente il materiale variando le microstrutture rigide per tradurre il materiale per funzionalità e prestazioni migliorate per materiali e tessuti biologici stampati in 3D. Gli scienziati hanno quindi utilizzato polimeri a memoria di forma (SMP) come materiale di stampa 4D ideale per stent cardiovascolari in forma di stampa 3D che possono espandersi nei vasi sanguigni con stenosi. Hanno utilizzato la stampa 3D multi-materiale per trasmettere la funzionalità di rilascio del farmaco nello stent SMP cardiovascolare includendo l'idrogel nel costrutto.

Hanno programmato lo stent SMP in una forma compatta e hanno recuperato la sua forma originale dopo l'impianto a una diversa temperatura programmata. Utilizzando una stampante DLP (elaborazione digitale della luce) multi-materiale, hanno sviluppato lo stent SMP-idrogel e hanno caricato un colorante rosso nel costrutto per imitare il rilascio del farmaco. The team conducted the experiment in a plastic tube to show stent expansion upon implantation and hydrogel-based drug release. Successivamente, they employed the ionic conductivity of hydrogels as a promising property for flexible electronics. Per questo, 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.

Veduta

In questo modo, 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.

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