p Os híbridos de hidrogel-polímero são amplamente usados ​​em uma variedade de aplicações para formar dispositivos biomédicos e eletrônicos flexíveis. Contudo, as tecnologias estão atualmente limitadas a laminados híbridos de hidrogel-polímero contendo borrachas de silicone. Isso pode limitar muito a funcionalidade e o desempenho de dispositivos e máquinas baseados em polímero de hidrogel. Em um novo estudo, Qi Ge, e uma equipe de cientistas em mecânica, sistemas mecatrônicos, eletrônica flexível, química e design avançado na China, Cingapura e Israel demonstraram uma abordagem de impressão tridimensional (3-D) multimaterial simples e versátil. O método permitiu o desenvolvimento de estruturas híbridas 3-D complexas contendo acrilamida-poli (etilenoglicol) diacrilato (PEGDA) altamente esticável e com alto teor de água, abreviado como hidrogéis AP, ligado covalentemente com diversos polímeros curáveis ​​por ultravioleta (UV). A equipe imprimiu as estruturas híbridas em uma impressora 3D multimaterial baseada em processamento digital de luz (DLP) própria. Eles facilitaram a ligação covalente entre o hidrogel AP e outros polímeros por meio da polimerização incompleta iniciada por um fotoiniciador solúvel em água. A equipe apresentou algumas aplicações baseadas nesta abordagem para propor uma nova maneira de realizar máquinas e dispositivos multifuncionais flexíveis ligando hidrogel com diversos polímeros em formas 3-D. O trabalho agora está publicado em Avanços da Ciência . p A nova abordagem de impressão 3-D

p Os hidrogéis são redes de polímeros contendo água que têm uma variedade de aplicações em dispositivos biomédicos e eletrônicos flexíveis. Muitas aplicações em engenharia de materiais combinam hidrogéis com outros polímeros para projetar estruturas híbridas para proteger, reforçar ou adicionar novas funcionalidades às construções de hidrogel, como pele lubrificante à base de hidrogel e revestimento elastomérico antideidratação. Contudo, a maioria dos polímeros que formam híbridos com hidrogéis são principalmente limitados a borrachas de silicone e estruturas laminadas que restringem a funcionalidade e o desempenho de tais dispositivos e máquinas. Como resultado, os cientistas de materiais buscam desenvolver estratégias alternativas eficazes. Nesse trabalho, Ge et al. relatou uma abordagem de impressão 3D multi-material simples e versátil para desenvolver altamente complexo, estruturas híbridas 3-D. O novo método abrirá um caminho eficiente para desenvolver dispositivos soft e máquinas com funcionalidades e desempenhos amplamente estendidos.

p Impressão 3D multi-material com outros materiais

p Os materiais continham hidrogéis altamente elásticos com alto teor de água, ligado covalentemente com diversos polímeros curáveis ​​por UV insolúveis em água, como elastômeros, polímeros rígidos, polímeros com memória de forma e redes de metacrilato curadas por UV. Como prova de conceito, eles usaram a abordagem de impressão 3-D de vários materiais e demonstraram uma série de aplicações, incluindo stents cardiovasculares de impressão 4-D para administração de drogas e condutores iônicos de impressão 3-D. Ge et al. primeiro imprimiu as estruturas de hidrogel-polímero em um auto-construído, alta resolução, impressora 3D multimaterial baseada em processamento digital de luz de alta eficiência usando uma abordagem "de baixo para cima". Durante o processo, A luz ultravioleta digitalizada irradiada do projetor ultravioleta foi colocada abaixo do estágio de impressão e pode ser movida verticalmente para controlar a espessura da camada de cada camada impressa. Uma superfície de vidro entre o estágio de impressão e o projetor UV suportava duas ou três poças de solução de precursor de polímero para fornecer uma solução de precursor conforme necessário. Os cientistas usaram diacrilato de acrilamida-poli (etilenoglicol) curável por UV (PEGDA), de alta elasticidade e alto teor de água. conhecido como hidrogel AP. Eles obtiveram os polímeros curáveis ​​por UV como polímeros de impressão 3-D à base de metacrilato disponíveis comercialmente.

p Mecanismo de ligação de materiais

p A equipe explorou os mecanismos que permitiram ao hidrogel AP se ligar firmemente a outros polímeros curáveis ​​por UV à base de metacrilato. Por esta, eles prepararam a solução precursora de hidrogel AP misturando os pós de acrilamida, Polímero PEGDA e fotoiniciadores solúveis em água em água. Eles ajustaram o comportamento mecânico do material, alterando a proporção dos polímeros híbridos e regulando o teor de água. O fotoiniciador solúvel em água auto-preparado (2, 4, Óxido de difenilfosfina 6-trimetilbenzoil abreviado como TPO) formou um componente chave da solução precursora de hidrogel AP, tornando-o altamente curável por UV e imprimível em 3D. Para imprimir em 3-D uma estrutura híbrida contendo o hidrogel AP e outros polímeros, Ge et al. também escolheu uma série de soluções de precursor de polímero disponíveis comercialmente, como monômeros à base de metacrilato, reticuladores e oligômeros.

p O método de impressão multi-material 3-D produziu estruturas químicas com o mecanismo de ligação de interface proposto entre o hidrogel AP e o monômero de metacrilato. Os radicais reativos na interface do material permitiram a ligação química entre as camadas de polímero e hidrogel. Para validar o mecanismo proposto de ligação interfacial, Ge et al. conduziu espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e comparou a conversão e a cinética de polimerização entre os materiais. Ge et al. em seguida, investigou a tenacidade interfacial entre o hidrogel e o polímero curável por UV, realizando testes de descascamento de 180 graus. Os resultados mostraram que a energia necessária para quebrar a interface hidrogel-polímero é maior do que a energia necessária para quebrar o próprio hidrogel.

p Prova de conceito:impresso em 3-D, compósitos rígidos de polímero-hidrogel, stents cardiovasculares e dispositivos eletrônicos flexíveis

p Com base nas propriedades de novos materiais, Ge et al. compostos de hidrogel rígidos reforçados com polímero facilmente desenvolvidos com desempenho mecânico superior e flexibilidade de design. A equipe projetou uma série de microestruturas para reforçar a rigidez e explorou o desafio existente de incompatibilidade de rigidez entre hidrogéis e tecidos humanos, o que eles demonstraram imprimindo um menisco consistindo de hidrogel AP reforçado por um polímero rígido Vero. Eles ajustaram mecanicamente o material, variando as microestruturas rígidas para traduzir o material para funcionalidade e desempenho aprimorados para tecidos e materiais biológicos impressos em 3D. Em seguida, os cientistas usaram polímeros com memória de forma (SMPs) como material de impressão 4-D ideal para stents cardiovasculares em formato de impressão 3-D que podem se expandir em vasos sanguíneos com estenose. Eles usaram impressão 3D de vários materiais para transmitir a funcionalidade de liberação de drogas para o stent cardiovascular SMP, incluindo hidrogel na construção.

p Eles programaram o stent SMP em uma forma compacta e recuperaram sua forma original após o implante em uma temperatura programada diferente. Usando uma impressora DLP (processamento digital de luz) multimaterial, eles desenvolveram o stent de hidrogel SMP e carregaram um corante vermelho na construção para simular a liberação do medicamento. The team conducted the experiment in a plastic tube to show stent expansion upon implantation and hydrogel-based drug release. Depois disso, they employed the ionic conductivity of hydrogels as a promising property for flexible electronics. Por esta, 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.

p Panorama

p Desta maneira, 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. p © 2021 Science X Network