Análisis mecánico de un bloque pNIPAM fabricado mediante litografía láser 3D. a) Micrografía óptica en el AFM con indicaciones superpuestas para las mediciones de fuerza y el escaneo de líneas. La barra de escala es de 50 µm. b) Módulo de Young medido en función de la temperatura para un calentamiento y enfriamiento gradual de la muestra. c) Medición de la altura mediante exploración lineal desde el sustrato de vidrio en la parte superior del bloque pNIPAM. Los diferentes colores representan varios ciclos de calentamiento y enfriamiento. Crédito:Hippler et al.
Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y la Universidad de Heidelberg han introducido recientemente hetero-microestructuras funcionales en 3-D basadas en Poli (N-isopropilacrilamida) (pNIPAM), un polímero que responde a cambios de temperatura cercanos a su solución crítica más baja. temperatura.
Las microestructuras sensibles a estímulos son de importancia clave para la creación de sistemas adaptables, que puede tener aplicaciones interesantes en robótica blanda y biociencias. Para una aplicación práctica, sin embargo, Los materiales deben ser compatibles con entornos acuosos y, al mismo tiempo, permitir la fabricación de estructuras 3-D. por ejemplo, utilizando la impresión 3-D.
"La impresión 3D mediante escritura láser directa es una técnica poderosa que permite la fabricación de casi todas las estructuras estables arbitrarias en el rango de micrómetros, "Marc Hippler, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo a TechXplore. "Sin embargo, para muchas aplicaciones, especialmente en el campo biomédico, es deseable cambiar las propiedades de la microestructura resultante a pedido, ya que esto permite el paso de sistemas pasivos a activos. Queríamos presentar una técnica poderosa y versátil para crear tales estructuras ".
Para lograr patrones de actuación complejos, los investigadores necesitan utilizar materiales que reaccionen de manera diferente a los estímulos externos, como la temperatura y la luz. Hippler y sus colegas desarrollaron así nuevas hetero-microestructuras 3-D basadas en N-isopropilacrilamida, un monómero sensible a la temperatura que está disponible comercialmente.
Válvulas pNIPAM sensibles a estímulos en microcanales PETA. a) Reconstrucción 3D de datos experimentales registrados mediante microscopía de barrido láser confocal. Se han grabado dos canales de color diferentes, permitiendo separar la fluorescencia de la PETA con el DETC verde fluorescente y la de pNIPAM con el colorante rojo de rodamina fluorescente. Las superficies de isointensidad correspondientes están coloreadas en turquesa y gris, respectivamente. Al calentar la muestra a 45 ° C, la abertura en el medio se ensancha. Este proceso es reversible cuando se vuelve a enfriar la muestra. b) Espacio abierto en el medio del microcanal a 20 ° C y 45 ° C para múltiples ciclos de estimulación. No encontramos ningún deterioro significativo. c) Diseño alternativo con una cámara de aire adicional y dos pNIPAM-tori. El cierre completo del microcanal se puede lograr de manera reversible. Las barras de escala son de 30 µm. Crédito:Hippler et al.
"Un objetivo importante de nuestro estudio fue lograr respuestas fuertes con un estímulo 'leve', ", Dijo Hippler." Al aumentar la temperatura solo ligeramente por encima de la temperatura ambiente, nos mantenemos en un rango fisiológico, lo que hace que el sistema sea interesante para aplicaciones biológicas. Uno podria, por ejemplo, piense en células individuales en andamios tridimensionales que son estimuladas mecánicamente por su entorno. También demostramos que esta técnica podría ser útil para otros campos, como la microfluídica o la robótica blanda ".
Hippler y sus colegas demostraron que al cambiar la dosis de exposición local en la litografía láser 3-D, los parámetros del material pueden modificarse bajo demanda. Luego exploraron esta posibilidad más a fondo para crear arquitecturas 3-D con gran amplitud y respuestas complejas.
Usando su método, los investigadores crearon con éxito estructuras activas que exhiben una respuesta de gran amplitud a los cambios de temperatura. Además, demostraron que la respuesta de estas estructuras se puede activar tanto globalmente como cambiando la temperatura del agua, y localmente, iluminando la microestructura deseada con un foco láser.
Actuación inducida por temperatura utilizando hetero-microestructuras basadas en pNIPAM. a) Esquema de heteroestructuras bimateriales con los dos materiales resaltados en verde y gris, exposición a dosis más bajas y más altas, respectivamente. Estos se pueden comparar con las reconstrucciones 3D de pilas de imágenes de fluorescencia medidas. Las dos temperaturas T =20 ° C y T =45 ° C están resaltadas en azul y rojo, respectivamente. Los haces comienzan rectos a T =20 ° C y se curvan a T =45 ° C. b Curvatura, es decir., radio inverso obtenido ajustando un círculo a los datos experimentales, versus temperatura. El panel lateral derecho muestra el resultado de doce ciclos de temperatura sin deterioro (las barras de error son s.d.). c) Micrografías ópticas de campo claro de una matriz de 3 × 3 de estructuras nominalmente idénticas para demostrar la reproducibilidad. d) Dependencia de la temperatura de cinco estructuras con diferentes longitudes de vigas preparadas en idénticas condiciones de fabricación. Las barras de escala son 20 µm en ayby 50 µm en cy d. Crédito:Hippler et al.
"Demostramos una técnica muy versátil y poderosa que puede ser empleada y utilizada por otras personas, ", Dijo Hippler." Creo que tres de los aspectos principales de nuestro estudio son la creación de materiales con propiedades en gran medida diferentes a partir de un solo fotorresistente, la actuación fuerte debido a un estímulo leve y la oportunidad de utilizar la luz para desencadenar la respuesta. Debido a esta versatilidad, no nos centramos en una aplicación en particular, pero destacó diferentes posibilidades ".
En el futuro, estos hallazgos podrían informar el desarrollo de materiales con aplicaciones en una variedad de campos, incluyendo microfluidos, robótica blanda y biociencias. Hippler ahora seguirá trabajando en este sistema, centrándose específicamente en experimentos biológicos.
"Adicionalmente, estaremos investigando otros sistemas de materiales sensibles a estímulos con propiedades interesantes que podrían usarse para escritura láser directa, " él dijo.
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