Des blocs de construction d'hydrogel de type LEGO dotés de minuscules canaux de fluide peuvent être assemblés dans des dispositifs microfluidiques complexes, puis scellés étroitement ensemble. Crédit :Wong Lab / Université Brown
Utilisant un nouveau type de matériau bipolymère capable de répondre dynamiquement à son environnement, Des chercheurs de l'Université Brown ont développé un ensemble de composants d'hydrogel modulaires qui pourraient être utiles dans une variété d'applications « robotiques douces » et biomédicales.
Les composants, qui sont modelés par une imprimante 3D, sont capables de se plier, torsion ou collage en réponse à un traitement avec certains produits chimiques. Pour un article publié dans la revue Chimie des polymères , les chercheurs ont fait la démonstration d'une pince souple capable d'actionner à la demande pour ramasser de petits objets. Ils ont également conçu des blocs de construction d'hydrogel de type LEGO qui peuvent être soigneusement assemblés puis étroitement scellés ensemble pour former des dispositifs microfluidiques personnalisés - des systèmes "laboratoires sur puce" utilisés pour le criblage de médicaments, cultures cellulaires et autres applications.
La clé de la fonctionnalité du nouveau matériau est sa composition à double polymère, disent les chercheurs.
"Essentiellement, le seul polymère assure l'intégrité structurelle, tandis que l'autre permet ces comportements dynamiques comme la flexion ou l'auto-adhérence, " dit Thomas Valentin, un doctorat récemment diplômé. étudiant à la Brown's School of Engineering et auteur principal de l'article. "Donc, mettre les deux ensemble fait un matériau qui est plus grand que la somme de ses parties."
Les hydrogels se solidifient lorsque les brins de polymère qu'ils contiennent s'attachent les uns aux autres, un processus appelé réticulation. Il existe deux types de liaisons qui maintiennent les polymères réticulés ensemble :covalentes et ioniques. Les liaisons covalentes sont assez fortes, mais irréversible. Une fois que deux brins sont liés de manière covalente, il est plus facile de casser le brin que de casser le lien. Les liaisons ioniques, en revanche, ne sont pas aussi fortes, mais ils peuvent être inversés. L'ajout d'ions (atomes ou molécules avec une charge nette positive ou négative) entraînera la formation des liaisons. L'élimination des ions entraînera la désintégration des liaisons.
Un nouveau matériau hydrogel est capable de répondre dynamiquement à son environnement. En présence d'ions fer, le matériau se plie tout seul, dans ce cas pour fermer une pince pouvant ramasser de petits objets Crédit :Wong Lab / Brown University
Pour ce nouveau matériel, les chercheurs ont combiné un polymère réticulé de manière covalente, appelé PEGDA, et un qui est réticulé ioniquement, appelé PAA. Les fortes liaisons covalentes du PEGDA maintiennent le matériau ensemble, tandis que les liaisons ioniques du PAA le rendent réactif. Mettre le matériau dans un environnement riche en ions provoque la réticulation du PAA, ce qui signifie qu'il devient plus rigide et se contracte. Enlevez ces ions, et le matériau se ramollit et gonfle à mesure que les liaisons ioniques se rompent. Le même processus permet également au matériau d'être auto-adhésif lorsque vous le souhaitez. Assemblez deux morceaux séparés, ajouter des ions, et les pièces s'attachent étroitement ensemble.
Cette combinaison de force et de comportement dynamique a permis aux chercheurs de fabriquer leur préhenseur souple. Ils ont modelé chacun des "doigts" de la pince pour avoir du PEGDA pur d'un côté et un mélange PEGDA-PAA de l'autre. L'ajout d'ions a provoqué le rétrécissement et le renforcement du côté PEGDA-PAA, qui a rapproché les deux doigts de la pince. Les chercheurs ont montré que la configuration était suffisamment solide pour soulever de petits objets pesant environ un gramme, et les tenir contre la gravité.
« Il y a beaucoup d'intérêt pour les matériaux qui peuvent changer de forme et s'adapter automatiquement à différents environnements, " a déclaré Ian Y. Wong, un professeur adjoint d'ingénierie et l'auteur correspondant de l'article. « Donc, nous démontrons ici un matériau qui peut se plier et se reconfigurer en réponse à un stimulus externe. »
Mais potentiellement une application plus immédiate est en microfluidique, disent les chercheurs.
Les hydrogels sont un matériau attractif pour les dispositifs microfluidiques, en particulier ceux utilisés dans les tests biomédicaux. Ils sont doux et flexibles comme les tissus humains, et généralement non toxique. Le problème est que les hydrogels sont souvent difficiles à modéliser avec les canaux et chambres complexes nécessaires en microfluidique.
Un nouveau type de matériau hydrogel développé à Brown a la capacité de réagir dynamiquement à son environnement--flexion, torsion et auto-adhérence sur demande. Dessus, les chercheurs ont démontré un comportement auto-adhésif sur la queue d'une salamandre hydrogel imprimée en 3D. Le comportement auto-adhésif a également été utilisé pour fabriquer des blocs de construction en hydrogel qui s'emboîtent comme des blocs LEGO. Crédit :Wong Lab / Université Brown
Mais ce nouveau matériau – et le concept de bloc LEGO qu'il permet – offre une solution potentielle. Le processus d'impression 3D permet d'intégrer des architectures microfluidiques complexes dans chaque bloc. Ces blocs peuvent ensuite être assemblés à l'aide d'une configuration de socket très similaire à celle des vrais blocs LEGO. L'ajout d'ions aux blocs assemblés crée un joint étanche à l'eau.
« Les blocs LEGO modulaires sont intéressants dans la mesure où nous pourrions créer une boîte à outils préfabriquée pour les dispositifs microfluidiques, " Valentin a dit. " Vous gardez une variété de pièces prédéfinies avec différentes architectures microfluidiques à portée de main, puis vous n'avez qu'à récupérer ceux dont vous avez besoin pour créer votre circuit microfluidique personnalisé. Ensuite, vous les guérissez ensemble et c'est prêt à partir."
Et stocker les blocs pendant de longues périodes avant utilisation ne semble pas être un problème, disent les chercheurs.
"Certains des échantillons que nous avons testés pour cette étude avaient trois ou quatre mois, " a déclaré Eric DuBois, un premier cycle de Brown et co-auteur de l'article. "Nous pensons donc que ceux-ci pourraient rester utilisables pendant une période prolongée."
Les chercheurs disent qu'ils vont continuer à travailler avec le matériel, en modifiant potentiellement les propriétés des polymères pour obtenir encore plus de durabilité et de fonctionnalité.
