Analyse mécanique d'un bloc pNIPAM fabriqué par lithographie laser 3D. a) Micrographie optique dans l'AFM avec indications superposées pour les mesures de force et le balayage linéaire. La barre d'échelle est de 50 µm. b) Module de Young mesuré en fonction de la température pour un chauffage et un refroidissement progressifs de l'échantillon. c) Mesure de la hauteur par balayage linéaire à partir du substrat de verre au-dessus du bloc pNIPAM. Les différentes couleurs représentent plusieurs cycles de chauffage et de refroidissement. Crédit :Hippler et al.
Une équipe de chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) et de l'Université de Heidelberg ont récemment introduit des hétéro-microstructures fonctionnelles 3-D à base de Poly (N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) un polymère qui répond aux changements de température proches de sa solution critique inférieure Température.
Les microstructures sensibles aux stimuli sont d'une importance clé pour la création de systèmes adaptables, qui peuvent avoir des applications intéressantes en robotique douce et en biosciences. Pour une application pratique, cependant, les matériaux doivent être compatibles avec les milieux aqueux tout en permettant la fabrication de structures 3D, par exemple, en utilisant l'impression 3D.
"L'impression 3D par écriture laser directe est une technique puissante permettant la fabrication de presque toutes les structures stables arbitraires de l'ordre du micromètre, " Marc Hippler, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore. "Toutefois, pour de nombreuses applications, notamment dans le domaine biomédical, il est souhaitable de modifier les propriétés de la microstructure résultante à la demande, car cela permet de passer des systèmes passifs aux systèmes actifs. Nous voulions présenter une technique puissante et polyvalente pour créer de telles structures."
Afin d'obtenir des schémas d'actionnement complexes, les chercheurs doivent utiliser des matériaux qui réagissent différemment aux stimuli externes, comme la température et la lumière. Hippler et ses collègues ont ainsi développé de nouvelles hétéro-microstructures 3-D à base de N-isopropylacrylamide, un monomère sensible à la température qui est disponible dans le commerce.
Valves pNIPAM sensibles aux stimuli dans les microcanaux PETA. a) Reconstruction 3D de données expérimentales enregistrées par microscopie confocale à balayage laser. Deux canaux de couleurs différentes ont été enregistrés, permettant de séparer la fluorescence de la PETA avec le DETC fluorescent vert et celle du pNIPAM avec le colorant rhodamine fluorescent rouge. Les surfaces d'iso-intensité correspondantes sont colorées en turquoise et gris, respectivement. En chauffant l'échantillon à 45 °C, l'ouverture au milieu s'élargit. Ce processus est réversible lors du refroidissement de l'échantillon. b) Zone ouverte au milieu du microcanal à 20 °C et 45 °C pour plusieurs cycles de stimulation. Nous ne trouvons aucune détérioration significative. c) Conception alternative avec une chambre à air supplémentaire et deux pNIPAM-tori. La fermeture complète du microcanal peut être réalisée de manière réversible. Les barres d'échelle sont de 30 µm. Crédit :Hippler et al.
"L'un des objectifs importants de notre étude était d'obtenir des réponses fortes avec un stimulus "léger", " Hippler a dit. " En augmentant la température seulement légèrement au-dessus de la température ambiante, nous restons dans une plage physiologique, ce qui rend le système intéressant pour des applications biologiques. On pourrait, par exemple, pensez à des cellules individuelles dans des échafaudages 3D qui sont stimulées mécaniquement par leur environnement. Nous avons également démontré que cette technique pouvait être utile pour d'autres domaines, comme la microfluidique ou la robotique douce."
Hippler et ses collègues ont démontré qu'en modifiant la dose d'exposition locale en lithographie laser 3D, les paramètres du matériau peuvent être modifiés à la demande. Ils ont ensuite exploré plus avant cette possibilité pour créer des architectures 3D avec une grande amplitude et des réponses complexes.
En utilisant leur méthode, les chercheurs ont réussi à créer des structures actives qui présentent une réponse de grande amplitude aux changements de température. En outre, ils ont montré que la réponse de ces structures peut être activée à la fois globalement, en changeant la température de l'eau, et localement, en éclairant la microstructure souhaitée avec un foyer laser.
Actionnement induit par la température à l'aide d'hétéro-microstructures à base de pNIPAM. a) Schéma des hétéro-structures bi-matériaux avec les deux matériaux surlignés en vert et gris, exposition à des doses plus faibles et plus élevées, respectivement. Celles-ci peuvent être comparées aux reconstructions 3D des piles d'images de fluorescence mesurées. Les deux températures T =20 °C et T =45 °C sont surlignées en bleu et rouge, respectivement. Les poutres commencent droites à T =20 °C et sont courbées à T =45 °C. b Courbure, c'est à dire., rayon inverse obtenu en ajustant un cercle aux données expérimentales, contre la température. Le panneau de droite montre le résultat de douze cycles de température sans détérioration (les barres d'erreur sont s.d.). c) Micrographies optiques à fond clair d'un réseau 3 × 3 de structures nominalement identiques pour démontrer la reproductibilité. d) Dépendance en température de cinq structures avec différentes longueurs de poutres préparées dans des conditions de fabrication identiques. Les barres d'échelle sont de 20 µm en a et b et de 50 µm en c et d. Crédit :Hippler et al.
"Nous avons démontré une technique très polyvalente et puissante qui peut être employée et utilisée par d'autres personnes, " a déclaré Hippler. " Je pense que trois des principaux aspects de notre étude sont la création de matériaux avec des propriétés largement différentes à partir d'une seule résine photosensible, l'actionnement puissant dû à un stimulus léger et la possibilité d'utiliser la lumière pour déclencher la réponse. Grâce à cette polyvalence, nous ne nous sommes pas concentrés sur une application en particulier, mais a mis en évidence différentes possibilités."
À l'avenir, ces découvertes pourraient éclairer le développement de matériaux ayant des applications dans divers domaines, dont la microfluidique, robotique douce et biosciences. Hippler va maintenant continuer à travailler sur ce système, en se concentrant spécifiquement sur les expériences biologiques.
"En outre, nous étudierons d'autres systèmes de matériaux sensibles aux stimuli avec des propriétés intéressantes qui pourraient être utilisées pour l'écriture laser directe, " il a dit.
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