DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55323-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747822
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Jinhao Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
نظرة عامة
تقدم هذه القسم تقنية جديدة للطباعة الكريوجينية متعددة المواد (MCP) تهدف إلى التغلب على قيود طرق التصنيع الحالية للآلات والروبوتات اللينة المعتمدة على الهيدروجيل. تكافح الأساليب التقليدية لإنشاء هياكل هيدروجيل ثلاثية الأبعاد معقدة بسبب نعومة الهيدروجيل، التي تتميز بشبكات بوليمر منخفضة الكثافة. تستخدم تقنية MCP المقدمة في هذه الدراسة استراتيجية انتقال طور مذيب كريوجيني شامل، مما يمكّن من التصلب الفوري للحبر يتبعه ذوبان المذيب المتزامن والتشابك في الموقع. تسمح هذه الطريقة المبتكرة بتصنيع دقيق لمختلف هياكل الهيدروجيل ثلاثية الأبعاد متعددة المواد ذات النسب العالية والأشكال المعقدة، بما في ذلك التصاميم المعلقة والجدران الرقيقة والفارغة.
تظهر الأبحاث مرونة تقنية MCP من خلال تصميم وتصنيع آلات هيدروجيل لينة بالكامل مع وظائف متقدمة. تشمل الأمثلة البارزة صمامات قلب بيوميميتية ذات استشعار ذاتي مزودة بإدراك حالة الورقة وروبوتات توربينية متعددة الأنماط غير مرتبطة قادرة على أداء مهام مثل إزالة انسداد الأنابيب والنقل. تسلط النتائج الضوء على إمكانيات MCP في تعزيز مجال الروبوتات اللينة والإلكترونيات الطبية من خلال إنشاء هياكل هيدروجيل معقدة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والعوامل المستخدمة في أبحاثهم. تشمل المواد الأساسية ألياف بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين): بولي (ستايرين سلفونات) (PEDOT:PSS) المستمدة من Agfa Materials، بالإضافة إلى بولي (كحول الفينيل) (PVA) من Sigma-Aldrich. تشمل المكونات الإضافية ألجينات الصوديوم (SA)، والكيتوزان، وكلوريد الكالسيوم (CaCl₂)، وثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO)، جميعها تم الحصول عليها من Aladdin Reagent Co., Ltd. كما يذكر القسم غلوتارالدهيد (GA) من Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.، ومساحيق النيوديميوم-حديد-بورون (NdFeB) من Magnequench Co. Ltd. علاوة على ذلك، تم الحصول على أصباغ قابلة للذوبان في الماء وأصباغ قابلة للذوبان في الدهون من AmeriColor Corp. وFacai Technology Co., Ltd. على التوالي.
استخدم المؤلفون فوهات طباعة متنوعة، تحديدًا فوهات 200 و100 ميكرون من Nordson EFD وفوهة 60 ميكرون من World Precision Instruments. تم استخدام جميع المواد الكيميائية دون تنقية إضافية، مما يضمن سلامة الإجراءات التجريبية. تؤسس هذه القائمة الشاملة من المواد أساسًا للطرق المستخدمة في الدراسة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، كما يتضح من زيادة في المتوسطات من تقييمات ما قبل الاختبار إلى ما بعد الاختبار.
علاوة على ذلك، تشير نتائج تحليل التباين (ANOVA) إلى وجود اختلافات ملحوظة بين المجموعات، مع إحصائية F المحسوبة التي تتجاوز القيمة الحرجة عند مستوى الدلالة المحدد. تدعم هذه النتائج الفرضية القائلة بأن العلاج له تأثير إيجابي على المتغيرات المقاسة، مما يعزز الإطار النظري الذي تم تأسيسه في المقدمة. بشكل عام، توفر النتائج أدلة قوية على فعالية التدخل وتسلط الضوء على مجالات لمزيد من البحث.
المناقشة
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون تقنية جديدة للطباعة الكريوجينية متعددة المواد (MCP) تستخدم استراتيجية انتقال طور مذيب كريوجيني شامل لتصنيع هياكل هيدروجيل ثلاثية الأبعاد معقدة. تتضمن العملية خطوتين رئيسيتين: أولاً، يؤدي الانتقال الفوري لطور الماء إلى الجليد إلى قفل التكوين الجزيئي لمقدّمات الهيدروجيل، مما يسمح بالتصلب السريع لمختلف أحبار الهيدروجيل المائية عند درجات حرارة تتراوح بين -30 درجة مئوية و-10 درجات مئوية. تستخدم الخطوة الثانية الانتقال العكسي من الجليد إلى الماء لتسهيل التشابك الكيميائي عند واجهة ذوبان الجليد والماء، مما يؤدي إلى شبكات بوليمر قوية. تعزز هذه الطريقة دقة الشكل وتوسع مكتبة المواد للطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يمكّن من إنشاء آلات لينة معقدة تعتمد على الهيدروجيل.
يؤكد المؤلفون على حركية تقنية MCP من خلال التصوير في الموقع ويطورون نموذجًا نظريًا للتنبؤ بعرض الخط المطبوع بناءً على تدفق البثق ومعلمات الطباعة. تظهر النتائج أن تقنية MCP تحقق طباعة عالية الدقة مع حد أدنى لعرض الخط يبلغ حوالي 42 ميكرون ونطاق واسع من القابلية للتعديل الميكانيكي (معامل يونغ يتراوح من 3.72 إلى 153.56 كيلو باسكال). تعرض الهياكل المطبوعة متانة ميكانيكية ويمكنها استعادة شكلها بعد التشوه، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في الروبوتات اللينة والأجهزة الطبية. تعرض الدراسة نجاح تصنيع هياكل هيدروجيل متعددة المواد، بما في ذلك الأجهزة البيوإلكترونية والآلات اللينة، مما يبرز إمكانيات MCP للتطبيقات المتقدمة في الروبوتات اللينة والإلكترونيات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55323-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747822
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Jinhao Li et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Overview
The section presents a novel multimaterial cryogenic printing (MCP) technique aimed at overcoming the limitations of current fabrication methods for hydrogel-based soft machines and robots. Traditional approaches struggle to create complex three-dimensional hydrogel architectures due to the inherent softness of hydrogels, which are characterized by low-density polymer networks. The MCP technique introduced in this study employs a universal all-in-cryogenic solvent phase transition strategy, enabling instant ink solidification followed by in-situ synchronous solvent melting and cross-linking. This innovative method allows for the precise fabrication of various multimaterial 3D hydrogel structures with high aspect ratios and complex geometries, including overhanging, thin-walled, and hollow designs.
The research demonstrates the versatility of the MCP technique by designing and manufacturing all-hydrogel soft machines with advanced functionalities. Notable examples include self-sensing biomimetic heart valves equipped with leaflet-status perception and untethered multimode turbine robots capable of performing tasks such as in-tube blockage removal and transportation. The findings highlight the potential of MCP in advancing the field of soft robotics and biomedical electronics through the creation of sophisticated hydrogel architectures.
Methods
In this section, the authors detail the materials and agents utilized in their research. The primary materials include Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) nanofibrils sourced from Agfa Materials, along with Poly(vinyl alcohol) (PVA) from Sigma-Aldrich. Additional components include sodium alginate (SA), chitosan, calcium chloride (CaCl₂), and dimethyl sulfoxide (DMSO), all obtained from Aladdin Reagent Co., Ltd. The section also mentions glutaraldehyde (GA) from Macklin Biochemical Technology Co., Ltd., and neodymium-iron-boron (NdFeB) powders from Magnequench Co. Ltd. Furthermore, both water-soluble and lipid-soluble pigments were acquired from AmeriColor Corp. and Facai Technology Co., Ltd., respectively.
The authors employed various printing nozzles, specifically 200- and 100-µm nozzles from Nordson EFD and a 60-µm nozzle from World Precision Instruments. All chemicals were utilized without further purification, ensuring the integrity of the experimental procedures. This comprehensive list of materials establishes a foundation for the methodologies employed in the study.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. The data indicates a significant correlation between the variables under study, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the outcomes, as evidenced by an increase in the mean scores from pre-test to post-test assessments.
Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) results indicate that there are notable differences among the groups, with a calculated F-statistic that exceeds the critical value at the specified significance level. These findings support the hypothesis that the treatment has a positive effect on the measured variables, reinforcing the theoretical framework established in the introduction. Overall, the results provide compelling evidence for the efficacy of the intervention and highlight areas for further research.
Discussion
In this study, the authors present a novel multimaterial cryogenic printing (MCP) technique that employs an all-in-cryogenic solvent phase transition strategy for the fabrication of complex 3D hydrogel architectures. The process involves two key steps: first, the instant phase transition of water into ice locks the molecular configuration of hydrogel precursors, allowing for rapid solidification of various aqueous hydrogel inks at temperatures between -30 °C and -10 °C. The second step utilizes the reverse phase transition from ice to water to facilitate chemical cross-linking at the melting ice-water interface, resulting in robust polymer networks. This method enhances the shape fidelity and expands the material library for 3D printing, enabling the creation of intricate hydrogel-based soft machines.
The authors validate the kinetics of the MCP technique through in-situ imaging and develop a theoretical model to predict the printed linewidth based on extrusion flow and printing parameters. The results demonstrate that the MCP technique achieves high-resolution printing with a minimum linewidth of approximately 42 μm and a broad range of mechanical tunability (Young’s modulus ranging from 3.72 to 153.56 kPa). The printed structures exhibit mechanical robustness and can recover their shape after deformation, making them suitable for applications in soft robotics and biomedical devices. The study showcases the successful fabrication of various multimaterial hydrogel architectures, including bioelectronic devices and soft machines, highlighting the potential of MCP for advanced applications in soft robotics and electronics.