Los hidrogeles son redes de polímeros tridimensionales (3-D) que pueden retener grandes cantidades de agua en sus estados hinchados para amplias aplicaciones en bioingeniería y ciencias de los materiales. Se están desarrollando técnicas avanzadas de fabricación de hidrogel para cumplir con los requisitos especificados por el usuario con restricciones sustanciales impuestas a las propiedades físicas y químicas de los precursores de hidrogel y las estructuras impresas. En un estudio reciente, Jikun Wang y compañeros de trabajo en el State Key Lab para resistencia y vibración de estructuras mecánicas, Departamento de Ingeniería Mecánica, en China, propuso un nuevo método de modelado de líquidos con el efecto de borde del condensador (PLEEC). Los resultados ahora se publican en Avances de la ciencia .

Usando el nuevo método de modelado, Wang y col. logró una resolución de 100 µm, al mismo tiempo que les permite establecer un sistema de impresión 3D completo que combina los procesos de creación de patrones y apilamiento. La técnica se puede aplicar a una amplia variedad de hidrogeles para superar los límites existentes. En el trabajo, los científicos demostraron estructuras de hidrogel impresas, incluido un andamio de hidrogel, un compuesto de hidrogel termorresistente y un dispositivo de visualización de hidrogel iónico de alta integridad. La técnica propuesta puede ofrecer dispositivos de hidrogel de creación rápida de prototipos con múltiples composiciones y geometrías complejas.

La fabricación aditiva o la impresión 3-D es una herramienta eficaz para diseñar, arquitecturas interconectadas y porosas en comparación con los métodos convencionales de fundición, fotomáscara y electrohilado. Los investigadores han utilizado previamente la impresión 3-D para crear andamios de hidrogel altamente porosos para cultivos celulares. como microchips biomiméticos para estudiar enfermedades, construir tejidos artificiales heterogéneos en medicina regenerativa y como órganos biocompatibles con alta precisión geométrica. Los hidrogeles 3-D también se utilizan para construir compuestos conductores para robótica blanda. En particular, El diseño asistido por computadora (CAD) en impresión 3-D es adecuado para construir estructuras de hidrogel altamente programadas y especificadas por el usuario para aplicaciones en ingeniería de tejidos.

Los métodos previamente establecidos para la impresión de hidrogel incluyen convencionalmente la litografía de proyección digital (DLP), estereolitografía (SLA) y escritura directa con tinta (DIW). Sin embargo, tales métodos se limitan a modelar con precursores de hidrogel fotopolimerizables solamente. Similar, en el método de impresión DIW, los precursores de hidrogel son similares al agua y difíciles de depositar a menos que su viscosidad se incremente con nanoarcillas, afectando la técnica de procesamiento. Los campos eléctricos son otra técnica que se ha utilizado para controlar líquidos mediante electrohumectación, autoensamblaje inducido por dielectroforesis y litografía. Aunque las técnicas pueden controlar gotas individuales entre electrodos para aplicaciones en cultivo celular, humectabilidad modelada, microfluídica y electrónica de modelado, Los campos eléctricos solo pueden manipular una gota a la vez. Como resultado, la técnica carece de control a gran escala de gotas de líquido, con dificultad de su uso en la impresión 3D.

En el presente trabajo, Wang y col. propuso PLEEC (modelado de líquidos con el efecto de borde del condensador) para modelar líquidos con diferentes propiedades físicas y químicas. El método se puede aplicar a una variedad de mecanismos de reticulación entre múltiples materiales. Los científicos utilizaron un condensador que tenía un diseño asimétrico para permitir la construcción de un objeto real en 3-D que meros patrones en 2-D construidos dentro de dos electrodos. Basado en el nuevo método, Wang y col. construyó el sistema de impresión 3-D, para proporcionar estructuras de hidrogel impresas de prueba de concepto, incluido un andamio de hidrogel, compuestos de hidrogel y dispositivos iónicos de hidrogel en el estudio.

El panel PLEEC propuesto en el estudio contenía cinco capas, donde la capa superior (película de teflón) actuó como hidrofóbico, cubierta aislante para separar el líquido del electrodo superior. Cuando los científicos aplicaron un campo eléctrico, el efecto de borde generó una fuerza electrostática que atrapó el líquido encima de la capa hidrófoba. Usando el principio, los científicos diseñaron patrones líquidos con diferentes formas y tamaños. Por ejemplo, la tinta azul atrapada formaba patrones de un Angry Bird y las letras XJTU. Además, los científicos utilizaron una serie de píxeles de línea para controlar y atrapar líquidos de forma independiente. Es más, en una matriz de 10 x 10 píxeles, los científicos pudieron formar una variedad de patrones líquidos como líneas, cuadrados y notas musicales. Con tecnología de control de circuitos más desarrollada, Se podrían diseñar y controlar patrones de líquidos complejos adicionales usando PLEEC.

Como prueba de concepto, los científicos atraparon cuatro precursores de hidrogel usando un campo eléctrico, para formar diversas estructuras. Por ejemplo, Wang y col. solución de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico (AMPS) atrapado para formar un círculo amarillo, que luego se polimerizó en el hidrogel PAMPS al exponerse a la luz ultravioleta. Luego atraparon de manera similar la solución de acrilamida (AAm) para formar un cuadrado rojo, que luego se polimerizó en el hidrogel de PAAm por calor. Los dos precursores de hidrogel (AMPS y AAm) eran similares al agua y difíciles de controlar mediante cualquier otra técnica para empezar. Wang y col. también formó una cruz azul con la solución de alginato, que luego se polimerizó en un hidrogel de alginato frágil mediante intercambio iónico, seguido de un triángulo verde formado con la solución de alginato / AAm, que se polimerizó en un hidrogel tenaz de alginato / AAm mediante intercambio de iones y calor.

Aparte de los precursores de hidrogel, Wang y col. fueron capaces de atrapar materiales funcionales de manera similar usando el campo eléctrico para formar líneas onduladas amarillas usando una solución de N-isopropil acrilamida, polimerizado en hidrogeles PNIPAM sensibles a la temperatura. Luego formaron un corazón rojo usando una solución de diacrilato de polietilenglicol (PEGDA) ampliamente utilizada en aplicaciones de bioingeniería. seguido por el destello azul formado con líquido iónico atrapado que era iónicamente conductor y no volátil adecuado para conductores iónicos estirables. Una forma de bucle infinito verde resultó de la resina fotosensible atrapada ampliamente utilizada en la impresión 3-D. 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 y col. 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 y col. 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. Sucesivamente, Wang y col. 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.

De este modo, Wang y col. 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. Como prueba de concepto, 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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