Análise mecânica de um bloco pNIPAM fabricado por litografia a laser 3D. a) Micrografia óptica no AFM com indicações sobrepostas para as medidas de força e varredura linear. A barra de escala é de 50 µm. b) Módulo de Young medido em função da temperatura para um aquecimento e resfriamento graduais da amostra. c) Medição de altura por varredura em linha do substrato de vidro no topo do bloco pNIPAM. As diferentes cores representam vários ciclos de aquecimento e resfriamento. Crédito:Hippler et al.
Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) e da Universidade de Heidelberg introduziu recentemente hetero-microestruturas funcionais 3-D baseadas em Poli (N-isopropilacrilamida) (pNIPAM), um polímero que responde a mudanças de temperatura perto de sua solução crítica inferior temperatura.
Microestruturas responsivas a estímulos são de importância fundamental para a criação de sistemas adaptáveis, que pode ter aplicações interessantes em robótica leve e biociências. Para aplicação prática, Contudo, os materiais precisam ser compatíveis com ambientes aquosos, permitindo também a fabricação de estruturas 3-D, por exemplo, usando impressão 3-D.
"A impressão 3-D por gravação direta a laser é uma técnica poderosa que permite a fabricação de quase todas as estruturas estáveis arbitrárias na faixa do micrômetro, "Marc Hippler, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse TechXplore. "Contudo, para muitas aplicações, especialmente no campo biomédico, é desejável alterar as propriedades da microestrutura resultante sob demanda, pois isso permite a passagem de sistemas passivos para ativos. Queríamos apresentar uma técnica poderosa e versátil para criar tais estruturas. "
A fim de alcançar padrões de atuação complexos, os pesquisadores precisam usar materiais que reagem de forma diferente a estímulos externos, como temperatura e luz. Hippler e seus colegas desenvolveram novas hetero-microestruturas 3-D baseadas em N-isopropilacrilamida, um monômero responsivo à temperatura que está disponível comercialmente.
Válvulas pNIPAM com resposta a estímulos em microcanais PETA. a) Reconstrução 3D de dados experimentais registrados via microscopia de varredura a laser confocal. Dois canais de cores diferentes foram registrados, permitindo separar a fluorescência da PETA com o DETC fluorescente verde e aquela do pNIPAM com o corante rodamina fluorescente vermelho. As superfícies de isointensidade correspondentes são coloridas em turquesa e cinza, respectivamente. Após o aquecimento da amostra a 45 ° C, a abertura no meio se alarga. Este processo é reversível ao resfriar a amostra de volta. b) Abra a área no meio do microcanal a 20 ° C e 45 ° C para múltiplos ciclos de estimulação. Não encontramos deterioração significativa. c) Design alternativo com tubo interno adicional e dois pNIPAM-tori. O fechamento completo do microcanal pode ser obtido de maneira reversível. As barras de escala são de 30 µm. Crédito:Hippler et al.
"Um objetivo importante do nosso estudo era obter respostas fortes com um estímulo 'suave', "Hippler disse." Ao aumentar a temperatura apenas ligeiramente acima da temperatura ambiente, ficamos em uma faixa fisiológica, o que torna o sistema interessante para aplicações biológicas. Um poderia, por exemplo, pense em células individuais em estruturas 3-D que são mecanicamente estimuladas por seu ambiente. Também demonstramos que essa técnica pode ser útil para outros campos, como microfluídica ou robótica leve. "
Hippler e seus colegas demonstraram que, ao alterar a dose de exposição local na litografia a laser 3-D, os parâmetros do material podem ser alterados sob demanda. Eles então exploraram essa possibilidade para criar arquiteturas 3-D com grande amplitude e respostas complexas.
Usando o método deles, os pesquisadores criaram com sucesso estruturas ativas que exibem uma resposta de grande amplitude às mudanças de temperatura. Além disso, eles mostraram que a resposta dessas estruturas pode ser ativada tanto globalmente, mudando a temperatura da água, e localmente, iluminando a microestrutura desejada com um foco de laser.
Atuação induzida por temperatura usando hetero-microestruturas baseadas em pNIPAM. a) Esquema de heteroestruturas bimateriais com os dois materiais destacados em verde e cinza, exposição a dose mais baixa e mais alta, respectivamente. Estes podem ser comparados com as reconstruções 3D de pilhas de imagens de fluorescência medidas. As duas temperaturas T =20 ° C e T =45 ° C são destacadas em azul e vermelho, respectivamente. Os feixes começam em linha reta em T =20 ° C e são curvados em T =45 ° C. b Curvatura, ou seja, raio inverso obtido pelo ajuste de um círculo aos dados experimentais, versus temperatura. O painel do lado direito mostra o resultado de doze ciclos de temperatura sem deterioração (as barras de erro são s.d.). c) Micrografias ópticas de campo claro de um arranjo 3 × 3 de estruturas nominalmente idênticas para demonstrar a reprodutibilidade. d) Dependência da temperatura de cinco estruturas com diferentes comprimentos de viga preparadas em condições de fabricação idênticas. As barras de escala são 20 µm em aeb e 50 µm em ce d. Crédito:Hippler et al.
"Demonstramos uma técnica muito versátil e poderosa que pode ser empregada e usada por outras pessoas, "Disse Hippler." Acho que três dos principais aspectos do nosso estudo são a criação de materiais com propriedades muito diferentes a partir de um único fotorresiste, a forte atuação devido a um estímulo suave e a oportunidade de usar a luz para disparar a resposta. Devido a esta versatilidade, não nos concentramos em um aplicativo específico, mas destacou diferentes possibilidades. "
No futuro, essas descobertas podem informar o desenvolvimento de materiais com aplicações em uma variedade de campos, incluindo microfluídica, robótica suave e biociências. Hippler agora continuará trabalhando neste sistema, focando especificamente em experimentos biológicos.
"Além disso, estaremos investigando outros sistemas de materiais responsivos a estímulos com propriedades interessantes que podem ser usados para escrita direta a laser, " ele disse.
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