Os hidrogéis são redes poliméricas tridimensionais (3-D) que podem reter grandes quantidades de água em seus estados dilatados para amplas aplicações em bioengenharia e ciências de materiais. Técnicas avançadas de fabricação de hidrogel estão em desenvolvimento para atender aos requisitos especificados pelo usuário com restrições substanciais colocadas nas propriedades físicas e químicas dos precursores do hidrogel e estruturas impressas. Em um estudo recente, Jikun Wang e colegas de trabalho no Laboratório Estadual de Resistência e Vibração de Estruturas Mecânicas, Departamento de Engenharia Mecânica, na China, propôs um novo método de padronização de líquidos com o efeito de borda do capacitor (PLEEC). Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência .

Usando o novo método de padronização, Wang et al. alcançou uma resolução de 100 µm, ao mesmo tempo, permitindo que eles estabeleçam um sistema de impressão 3-D completo que combina processos de padronização e empilhamento. A técnica pode ser aplicada a uma ampla variedade de hidrogéis para superar os limites existentes. No trabalho, os cientistas demonstraram estruturas de hidrogel impressas, incluindo um andaime de hidrogel, um composto de hidrogel termorresponsivo e um dispositivo de exibição de hidrogel iônico de alta integridade. A técnica proposta pode oferecer dispositivos de hidrogel de prototipagem rápida com múltiplas composições e geometrias complexas.

A manufatura aditiva ou impressão 3-D é uma ferramenta eficaz para a engenharia altamente estruturada, arquiteturas interconectadas e porosas em comparação com métodos convencionais de fundição, fotomáscara e eletrofiação. Os pesquisadores já usaram a impressão 3-D para criar estruturas de hidrogel altamente porosas para culturas de células, como microchips biomiméticos para estudar doenças, construir tecidos artificiais heterogêneos em medicina regenerativa e como órgãos biocompatíveis com alta precisão geométrica. Os hidrogéis 3-D também são usados ​​para construir compostos condutores para robótica leve. Em particular, O projeto auxiliado por computador (CAD) em impressão 3-D é adequado para construir estruturas de hidrogel altamente programadas e especificadas pelo usuário para aplicações em engenharia de tecidos.

Métodos previamente estabelecidos para impressão de hidrogel convencionalmente incluem litografia de projeção digital (DLP), estereolitografia (SLA) e escrita direta a tinta (DIW). Contudo, tais métodos são limitados a padronização com precursores de hidrogel fotopolimerizáveis ​​apenas. De forma similar, no método de impressão DIW, Os precursores do hidrogel são semelhantes à água e difíceis de depositar, a menos que sua viscosidade seja aumentada com as nanargilas, afetando a técnica de processamento. Os campos elétricos são outra técnica que tem sido usada para controlar líquidos por eletrowetting, dieletroforese e auto-montagem induzida pela litografia. Embora as técnicas possam controlar gotas únicas entre os eletrodos para aplicações em cultura de células, molhabilidade padronizada, microfluídica e eletrônica de padronização, os campos elétricos só podem manipular uma única gota de cada vez. Como resultado, a técnica carece de controle em grande escala de gotículas de líquido, com dificuldade de seu uso na impressão 3-D.

No presente trabalho, Wang et al. propôs PLEEC (padronizando líquidos com o efeito de borda do capacitor) para padronizar líquidos com diferentes propriedades físicas e químicas. O método pode ser aplicado a uma variedade de mecanismos de reticulação entre vários materiais. Os cientistas usaram um capacitor de design assimétrico para permitir a construção de um objeto 3-D real do que meros padrões 2-D construídos dentro de dois eletrodos. Com base no novo método, Wang et al. construiu o sistema de impressão 3-D, para fornecer estruturas de hidrogel impressas de prova de conceito, incluindo uma estrutura de hidrogel, composto de hidrogel e dispositivos iônicos de hidrogel no estudo.

O painel PLEEC proposto no estudo continha cinco camadas, onde a camada superior (filme de Teflon) atuou como um hidrofóbico, capa isolante para separar o líquido do eletrodo superior. Quando os cientistas aplicaram um campo elétrico, o efeito de borda gerou uma força eletrostática que prendeu o líquido sobre a camada hidrofóbica. Usando o princípio, os cientistas projetaram padrões de líquidos com diferentes formas e tamanhos. Por exemplo, a tinta azul presa formava os padrões de um Angry Bird e as letras XJTU. Além disso, os cientistas usaram uma série de pixels de linha para controlar e capturar o líquido de forma independente. Além disso, em uma matriz de 10 x 10 pixels, os cientistas foram capazes de formar uma variedade de padrões de líquidos, como linhas, quadrados e notas musicais. Com tecnologia de controle de circuito mais desenvolvida, padrões adicionais de líquidos complexos podem ser projetados e controlados usando PLEEC.

Como prova de conceito, os cientistas capturaram quatro precursores de hidrogel usando um campo elétrico, para formar estruturas diversas. Por exemplo, Wang et al. solução de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanossulfônico (AMPS) para formar um círculo amarelo, que então polimerizou no hidrogel PAMPS por exposição à luz ultravioleta. Eles então prenderam da mesma forma a solução de acrilamida (AAm) para formar um quadrado vermelho, que então polimerizou no hidrogel PAAm por calor. Os dois precursores do hidrogel (AMPS e AAm) eram semelhantes à água e difíceis de controlar por meio de qualquer outra técnica para começar. Wang et al. também formou uma cruz azul usando a solução de alginato, que então polimerizou em um hidrogel de alginato quebradiço por meio de troca iônica, seguido por um triângulo verde formado usando a solução de alginato / AAm, que polimerizou em um hidrogel resistente de alginato / AAm por calor e troca iônica.

Além de precursores de hidrogel, Wang et al. foram capazes de capturar materiais funcionais de forma semelhante usando o campo elétrico para formar linhas onduladas amarelas usando solução de N-isopropil acrilamida, polimerizado em hidrogéis PNIPAM sensíveis à temperatura. Eles então formaram um coração vermelho usando uma solução de diacrilato de polietilenoglicol (PEGDA) amplamente usada em aplicações de bioengenharia, seguido pelo flash azul formado com líquido iônico aprisionado que era ionicamente condutor e não volátil adequado para condutores iônicos extensíveis. Uma forma de loop infinito verde resultou de resina fotossensível presa amplamente usada em impressão 3-D. Os cientistas demonstraram como o PLEEC pode capturar uma ampla variedade de soluções de hidrogel para manipulação de líquidos em grande escala e impressão 3-D de hidrogel. O campo elétrico foi capaz de capturar uma linha de água com resolução de 100 µm, muito próximo ao observado com DLP e SLA.

Wang et al. 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 et al. 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. Por sua vez, Wang et al. 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.

Desta maneira, Wang et al. 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 prova de conceito, 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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