Les hydrogels sont des réseaux polymères tridimensionnels (3D) qui peuvent retenir de grandes quantités d'eau dans leurs états gonflés pour de larges applications en bio-ingénierie et en sciences des matériaux. Des techniques avancées de fabrication d'hydrogel sont en cours de développement pour répondre aux exigences spécifiées par l'utilisateur avec des contraintes substantielles imposées aux propriétés physiques et chimiques des précurseurs d'hydrogel et des structures imprimées. Dans une étude récente, Jikun Wang et ses collègues du State Key Lab pour la résistance et les vibrations des structures mécaniques, Département de Génie Mécanique, en Chine, a proposé une nouvelle méthode de modelage des liquides avec l'effet de bord du condensateur (PLEEC). Les résultats sont maintenant publiés dans Avancées scientifiques .

En utilisant la nouvelle méthode de modelage, Wang et al. atteint une résolution de 100 µm, tout en leur permettant également d'établir un système d'impression 3D complet qui combine les processus de modelage et d'empilage. La technique peut être appliquée à une grande variété d'hydrogels pour surmonter les limites existantes. Dans le travail, les scientifiques ont démontré des structures d'hydrogel imprimées comprenant un échafaudage d'hydrogel, un composite hydrogel thermosensible et un dispositif d'affichage d'hydrogel ionique à haute intégrité. La technique proposée peut offrir des dispositifs d'hydrogel de prototypage rapide avec des compositions multiples et des géométries complexes.

La fabrication additive ou l'impression 3D est un outil efficace pour concevoir des produits hautement structurés, architectures interconnectées et poreuses par rapport aux méthodes classiques de coulée, photomasquage et électrofilage. Les chercheurs ont déjà utilisé l'impression 3D pour créer des échafaudages d'hydrogel hautement poreux pour les cultures cellulaires, comme puces biomimétiques pour étudier la maladie, construire des tissus artificiels hétérogènes en médecine régénérative et en tant qu'organes biocompatibles avec une grande précision géométrique. Les hydrogels 3D sont également utilisés pour construire des composites conducteurs pour la robotique douce. En particulier, la conception assistée par ordinateur (CAO) en impression 3D est adaptée à la construction de structures d'hydrogel hautement programmées et spécifiées par l'utilisateur pour des applications en ingénierie tissulaire.

Les méthodes précédemment établies pour l'impression d'hydrogel comprennent classiquement la lithographie par projection numérique (DLP), stéréolithographie (SLA) et écriture directe à l'encre (DIW). Cependant, ces méthodes sont limitées à la création de motifs avec des précurseurs d'hydrogel photopolymérisables uniquement. De la même manière, dans la méthode d'impression DIW, les précurseurs d'hydrogel sont aqueux et difficiles à déposer sauf si leur viscosité est augmentée avec des nanoargiles, affectant la technique de traitement. Les champs électriques sont une autre technique qui a été utilisée pour contrôler les liquides par électromouillage, auto-assemblage induit par diélectrophorèse et lithographie. Bien que les techniques puissent contrôler des gouttelettes uniques entre les électrodes pour des applications en culture cellulaire, mouillabilité modelée, microfluidique et électronique de modélisation, les champs électriques ne peuvent manipuler qu'une seule gouttelette à la fois. Par conséquent, la technique manque de contrôle à grande échelle des gouttelettes liquides, avec difficulté de leur utilisation en impression 3D.

Dans le travail present, Wang et al. proposé PLEEC (motif liquide avec effet de bord de condensateur) pour modeler des liquides avec différentes propriétés physiques et chimiques. Le procédé peut être appliqué à une variété de mécanismes de réticulation parmi plusieurs matériaux. Les scientifiques ont utilisé un condensateur de conception asymétrique pour permettre la construction d'un véritable objet 3D plutôt que de simples motifs 2D construits à l'intérieur de deux électrodes. Basé sur la nouvelle méthode, Wang et al. construit le système d'impression 3D, pour fournir des structures d'hydrogel imprimées de preuve de concept comprenant un échafaudage d'hydrogel, dispositifs composites hydrogel et hydrogel ioniques dans l'étude.

Le panel PLEEC proposé dans l'étude contenait cinq couches, où la couche supérieure (film de téflon) a agi comme un hydrophobe, couvercle isolant pour séparer le liquide de l'électrode supérieure. Lorsque les scientifiques ont appliqué un champ électrique, l'effet de bord a généré une force électrostatique qui a piégé le liquide au sommet de la couche hydrophobe. En utilisant le principe, les scientifiques ont conçu des motifs liquides avec différentes formes et tailles. Par exemple, l'encre bleue emprisonnée a formé des motifs d'un Angry Bird et des lettres XJTU. En outre, les scientifiques ont utilisé un réseau de pixels linéaires pour contrôler et piéger le liquide de manière indépendante. Par ailleurs, dans une matrice de 10 x 10 pixels, les scientifiques ont pu former une variété de motifs liquides tels que des lignes, carrés et notes de musique. Avec une technologie de contrôle de circuit plus développée, des modèles liquides complexes supplémentaires pourraient être conçus et contrôlés à l'aide de PLEEC.

Comme preuve de concept, les scientifiques ont piégé quatre précurseurs d'hydrogel à l'aide d'un champ électrique, pour former des structures diverses. Par exemple, Wang et al. solution d'acide 2-acrylamido-2-méthylpropanesulfonique (AMPS) piégée pour former un cercle jaune, qui a ensuite polymérisé dans l'hydrogel PAMPS lors de l'exposition à la lumière UV. Ils ont ensuite piégé de la même manière la solution d'acrylamide (AAm) pour former un carré rouge, qui a ensuite polymérisé dans l'hydrogel PAAm par la chaleur. Les deux précurseurs d'hydrogel (AMPS et AAm) étaient semblables à de l'eau et difficiles à contrôler par toute autre technique pour commencer. Wang et al. également formé une croix bleue en utilisant la solution d'alginate, qui a ensuite polymérisé en un hydrogel d'alginate fragile par échange d'ions, suivi d'un triangle vert formé à l'aide de la solution alginate/AAm, qui s'est polymérisé en un hydrogel dur alginate/AAm par échange de chaleur et d'ions.

Outre les précurseurs d'hydrogel, Wang et al. ont pu piéger des matériaux fonctionnels de la même manière en utilisant le champ électrique pour former des lignes ondulées jaunes en utilisant une solution de N-isopropylacrylamide, polymérisé en hydrogels PNIPAM sensibles à la température. Ils ont ensuite formé un cœur rouge à l'aide d'une solution de diacrylate de polyéthylène glycol (PEGDA) largement utilisée dans les applications de bio-ingénierie, suivi du flash bleu formé avec un liquide ionique piégé qui était ioniquement conducteur et non volatil adapté aux conducteurs ioniques extensibles. Une forme de boucle verte à l'infini est le résultat d'une résine photosensible piégée largement utilisée dans l'impression 3D. The scientists thus demonstrated how PLEEC could trap a wide variety of hydrogel solutions for large-scale liquid manipulation and hydrogel 3-D printing. The electric field was able to trap a line of water at 100 µm resolution, very close to that observed with DLP and 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. À son tour, 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.

De cette façon, 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. Comme preuve de concept, 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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