Los híbridos de hidrogel-polímero se utilizan ampliamente en una variedad de aplicaciones para formar dispositivos biomédicos y electrónica flexible. Sin embargo, las tecnologías están actualmente limitadas a laminados híbridos de hidrogel-polímero que contienen cauchos de silicona. Esto puede limitar en gran medida la funcionalidad y el rendimiento de las máquinas y los dispositivos basados ​​en polímeros de hidrogel. En un nuevo estudio, Qi Ge, y un equipo de científicos en mecánica, sistemas mecatrónicos, electrónica flexible, química y diseño avanzado en China, Singapur e Israel demostraron un enfoque de impresión tridimensional (3-D) multimaterial simple y versátil. El método permitió el desarrollo de estructuras tridimensionales híbridas complejas que contienen acrilamida-poli (etilenglicol) diacrilato (PEGDA) muy elástico y con alto contenido de agua, abreviado como AP hidrogeles, unido covalentemente con diversos polímeros curables por ultravioleta (UV). El equipo imprimió las estructuras híbridas en una impresora 3D multimaterial basada en procesamiento de luz digital (DLP) de construcción propia. Facilitaron la unión covalente entre el hidrogel AP y otros polímeros a través de una polimerización incompleta iniciada por un fotoiniciador soluble en agua. El equipo mostró algunas aplicaciones basadas en este enfoque para proponer una nueva forma de realizar máquinas y dispositivos blandos multifuncionales mediante la unión de hidrogel con diversos polímeros en formas tridimensionales. El trabajo ahora está publicado en Avances de la ciencia .

El nuevo enfoque de impresión 3D

Los hidrogeles son redes de polímeros que contienen agua que tienen una variedad de aplicaciones en dispositivos biomédicos y electrónica flexible. Muchas aplicaciones en ingeniería de materiales combinan hidrogeles con otros polímeros para diseñar estructuras híbridas para proteger, Reforzar o añadir nuevas funcionalidades a las construcciones de hidrogel, tales como lubricante cutáneo a base de hidrogel y revestimiento elastomérico antidehidratante. Sin embargo, la mayoría de los polímeros que forman híbridos con hidrogeles se limitan principalmente a cauchos de silicona y estructuras laminadas que limitan la funcionalidad y el rendimiento de dichos dispositivos y máquinas. Como resultado, Los científicos de materiales tienen como objetivo desarrollar estrategias alternativas efectivas. En este trabajo, Ge et al. informó un enfoque de impresión 3D de múltiples materiales simple y versátil para desarrollar altamente complejos, Estructuras tridimensionales híbridas. El nuevo método allanará un camino eficiente para desarrollar dispositivos y máquinas blandas con funcionalidades y rendimientos muy extendidos.

Impresión 3D de varios materiales con otros materiales

Los materiales contenían hidrogeles altamente elásticos con un alto contenido de agua, unido covalentemente con diversos polímeros curables por UV insolubles en agua, como elastómeros, polímeros rígidos, polímeros con memoria de forma y redes de metacrilato curadas con UV. Como prueba de concepto, utilizaron el enfoque de impresión 3D de múltiples materiales y demostraron una serie de aplicaciones que incluyen stents cardiovasculares de impresión 4-D para la administración de fármacos y conductores iónicos de impresión 3D. Ge et al. imprimió por primera vez las estructuras de hidrogel-polímero en un autoconstruido, alta resolución, Impresora 3D multimaterial de alta eficiencia basada en procesamiento de luz digital que utiliza un enfoque "de abajo hacia arriba". Durante el proceso, La luz ultravioleta digitalizada irradiada desde el proyector UV se colocó debajo de la plataforma de impresión y se podía mover verticalmente para controlar el espesor de capa de cada capa impresa. Una superficie de vidrio entre la plataforma de impresión y el proyector UV soportaba dos o tres charcos de solución precursora de polímero para entregar una solución precursora según fuera necesario. Los científicos utilizaron diacrilato de acrilamida-poli (etilenglicol) (PEGDA) curable por UV altamente elástico y con alto contenido de agua, conocido como el hidrogel AP. Obtuvieron los polímeros curables por UV como polímeros de impresión 3D basados ​​en metacrilato disponibles comercialmente.

Mecanismo de unión de materiales

El equipo exploró los mecanismos que permitieron al hidrogel AP unirse firmemente con otros polímeros curables por UV a base de metacrilato. Para esto, prepararon la solución precursora de hidrogel AP mezclando los polvos de acrilamida, Polímero PEGDA y fotoiniciadores solubles en agua en agua. Ajustaron el comportamiento mecánico del material cambiando la proporción de polímeros híbridos y regulando el contenido de agua. El fotoiniciador soluble en agua preparado por uno mismo (2, 4, El óxido de 6-trimetilbenzoil difenilfosfina (abreviado como TPO) formó un componente clave de la solución precursora de hidrogel AP, haciéndolo altamente curable por UV e imprimible en 3D. Para imprimir en 3D una estructura híbrida que contiene el hidrogel AP y otros polímeros, Ge et al. también eligió una serie de soluciones de precursores de polímeros disponibles comercialmente, como los monómeros a base de metacrilato, reticulantes y oligómeros.

El método de impresión 3D de múltiples materiales produjo estructuras químicas con el mecanismo de unión de interfaz propuesto entre el hidrogel AP y el monómero de metacrilato. Los radicales reactivos en la interfaz del material permitieron la unión química entre las capas de polímero e hidrogel. Para validar el mecanismo propuesto de unión interfacial, Ge et al. llevó a cabo una espectroscopía de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) y comparó la conversión y la cinética de polimerización entre los materiales. Ge et al. luego investigó la tenacidad interfacial entre el hidrogel y el polímero curable por UV realizando pruebas de pelado de 180 grados. Los resultados mostraron que la energía necesaria para romper la interfase hidrogel-polímero es mayor que la energía necesaria para romper el hidrogel en sí.

Prueba de concepto:impresa en 3-D, compuestos rígidos de polímero-hidrogel, stents cardiovasculares y dispositivos electrónicos flexibles

Basado en las propiedades de nuevos materiales, Ge et al. compuestos de hidrogel reforzado con polímeros rígidos de fácil desarrollo con un rendimiento mecánico superior y flexibilidad de diseño. El equipo diseñó una serie de microestructuras para reforzar la rigidez y exploró el desafío existente del desajuste de rigidez entre los hidrogeles y los tejidos humanos. que demostraron imprimiendo un menisco que consta de hidrogel AP reforzado por un polímero rígido Vero. Ellos ajustaron mecánicamente el material variando las microestructuras rígidas para traducir el material para mejorar la funcionalidad y el rendimiento de los materiales y tejidos biológicos impresos en 3D. A continuación, los científicos utilizaron polímeros con memoria de forma (SMP) como un material de impresión 4-D ideal para los stents cardiovasculares con forma de impresión 3D que pueden expandirse en los vasos sanguíneos con estenosis. Utilizaron impresión 3D de múltiples materiales para transmitir la funcionalidad de liberación de fármaco al stent SMP cardiovascular mediante la inclusión de hidrogel en la construcción.

Programaron el stent SMP en una forma compacta y recuperaron su forma original tras la implantación a una temperatura programada diferente. Usando una impresora DLP (procesamiento de luz digital) multimaterial, desarrollaron el stent de hidrogel SMP y cargaron un tinte rojo en la construcción para imitar la liberación del fármaco. The team conducted the experiment in a plastic tube to show stent expansion upon implantation and hydrogel-based drug release. Después de eso, they employed the ionic conductivity of hydrogels as a promising property for flexible electronics. Para esto, 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.

panorama

De este 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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