响应性水凝胶的3D打印及其应用
发布时间：2022-01-14 14:58
近年来,能将温度、pH、光、磁场等外部刺激转化为机械变形的软体驱动器,由于其在医疗、仿生器件和软体机器人等领域的潜在应用,引起了研究人员的极大关注。与传统的刚性结构相比,软体驱动器能够响应外界环境的变化而发生形变。然而目前为止,大多数软体驱动器的尺寸都是毫米级或者更大,无法应用于细胞支架、微操纵器、微型机器人等领域中。因此,尺寸在微米级别的软体驱动器具有重要的研究意义。制备微型软体驱动器对于材料的选择和驱动设计是一个巨大的挑战。本文利用双光子3D打印技术,以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGda）单体为原料,制备了一种具有双层结构的微型软体驱动器。PEGda水凝胶可以通过吸收水分子发生膨胀,以膨胀率高的PEGda水凝胶为响应层,膨胀率低的PEGda水凝胶为被动层,PEGda双层结构在浸入水中后就会因为膨胀不相等而发生弯曲,成为水响应的微型软体驱动器。研究内容分为以下三个部分:一、PEGda水凝胶微结构的制备。以PEGda单体为原料,水为溶剂,曙红B为引发聚合的光敏剂,混合后制备了可用于双光子3D打印的光刻胶。研究了激光功率和直写速率对PEGda水凝胶打印性能的影响。二、影响PEGda水凝胶膨胀...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
仿生章鱼软体机器人
东南大学硕士学位论文2驱动时间较长等问题。图1-2水凝胶软体驱动器1.1.2软体驱动器的驱动方式和机理根据提供能量来源的不同，软体驱动器的驱动方式主要包括流体驱动、温差驱动、光驱动、电磁驱动、化学反应驱动以及不常见的细胞驱动等。流体驱动包括气体驱动和液体驱动，是指在驱动结构中通过充气或者蒸气和液体流入结构使得驱动器发生变形和运动的一类驱动器。如图1-3a所示，Shepherd等人[13]发明了一种利用四足气动式爬行驱动器。四足驱动器分为上面的共聚酯弹性层和下面的聚二甲基硅氧烷(PDMS)限制层。弹性层是做成气动网的形状，后端连接有通气管，气泵充气后，弹性层发生膨胀，而限制层体积不变从而产生内应力，使机器人向前爬行运动。该软体机器人质量轻、驱动力强的特点。吉林大学的韩冬冬等人[14]利用石墨烯制备了一种湿度驱动的软体驱动器，首先利用紫外光照射氧化石墨烯(RO)纸的表面，控制照射时间和光强，使RO表面形成一定厚度的还原氧化石墨烯(RGO)层，RO相比于RGO具有很强的吸水性，所以湿度增大后，RO层的膨胀大于RGO的膨胀从而产生弯曲变形。通过紫外光照射不同的区域，就能制造出可以产生复杂变形的石墨烯软体驱动器。温差驱动软体机器人通常是以温度响应性水凝胶为材料，这种材料在低温和高温时具有不同的膨胀率，所以当温度变化时，双层结构的水凝胶就会因为膨胀不同而产生内驱动力，从而发生变形和运动。其中最典型的温度响应性水凝胶就是聚N-异丙基丙烯酰胺(pNIPAm)，其在低温时膨胀，高温时收缩，临界温度大概在32℃左右。北京化工大学的YuCheng等人
东南大学硕士学位论文4动器的结构设计要求较高。光驱动是一种简单、远程的驱动方式，缺点是响应时间较长。温差驱动是一种简单无害的驱动方式，驱动能量来源易于获得，缺点是响应时间较长，且温度不容易精确控制。电磁驱动是目前最常用的驱动方式，具有高效、精确和驱动持续时间长等优点，也是未来最有可能投入实际应用的驱动方式，有巨大的应用前景。图1-3不同驱动方式的软体驱动器(a)气体驱动；(b)温差驱动；(c)细胞驱动；(d)化学反应驱动；(e)光驱动；(f)电流驱动。1.1.3软体驱动器的微型化以上例子所述的软体驱动器的尺寸都较大(毫米级以上)，随着材料技术和加工制备技术的不断发展，软体驱动器的微型化研究越来越受到重视。微型软体驱动器的尺寸一般在微米范围内，这种尺寸下的软体驱动器所需驱动能量小，驱动响应速度快。在某些特殊环境下，例如在血管中或者微小的腔道中，微型软体驱动器的作用是不可替代的。德国马普智能系统研究所的MetinSitti等人[26]在《Nature》上发表了一种可以在血管内攀爬、旋转和跳跃的微型软体驱动器(图1-4a)，其主体材料是硅弹性体，负责驱动器的变形和运动，硅弹性体里掺杂了具有磁性的汝铁硼微颗粒，然后利用模板法制备出特定的形状，就可以在精确地磁场控制下完成各种复杂的运动。此外，该微型驱动器能够通过磁场控制完成对药物的包裹是释放过程，在药物输送领域开辟了新的方向。韩国全南国立大学的研究人员[27]以响应性水凝胶为材料，
本文编号：3588708
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
仿生章鱼软体机器人
东南大学硕士学位论文2驱动时间较长等问题。图1-2水凝胶软体驱动器1.1.2软体驱动器的驱动方式和机理根据提供能量来源的不同，软体驱动器的驱动方式主要包括流体驱动、温差驱动、光驱动、电磁驱动、化学反应驱动以及不常见的细胞驱动等。流体驱动包括气体驱动和液体驱动，是指在驱动结构中通过充气或者蒸气和液体流入结构使得驱动器发生变形和运动的一类驱动器。如图1-3a所示，Shepherd等人[13]发明了一种利用四足气动式爬行驱动器。四足驱动器分为上面的共聚酯弹性层和下面的聚二甲基硅氧烷(PDMS)限制层。弹性层是做成气动网的形状，后端连接有通气管，气泵充气后，弹性层发生膨胀，而限制层体积不变从而产生内应力，使机器人向前爬行运动。该软体机器人质量轻、驱动力强的特点。吉林大学的韩冬冬等人[14]利用石墨烯制备了一种湿度驱动的软体驱动器，首先利用紫外光照射氧化石墨烯(RO)纸的表面，控制照射时间和光强，使RO表面形成一定厚度的还原氧化石墨烯(RGO)层，RO相比于RGO具有很强的吸水性，所以湿度增大后，RO层的膨胀大于RGO的膨胀从而产生弯曲变形。通过紫外光照射不同的区域，就能制造出可以产生复杂变形的石墨烯软体驱动器。温差驱动软体机器人通常是以温度响应性水凝胶为材料，这种材料在低温和高温时具有不同的膨胀率，所以当温度变化时，双层结构的水凝胶就会因为膨胀不同而产生内驱动力，从而发生变形和运动。其中最典型的温度响应性水凝胶就是聚N-异丙基丙烯酰胺(pNIPAm)，其在低温时膨胀，高温时收缩，临界温度大概在32℃左右。北京化工大学的YuCheng等人
东南大学硕士学位论文4动器的结构设计要求较高。光驱动是一种简单、远程的驱动方式，缺点是响应时间较长。温差驱动是一种简单无害的驱动方式，驱动能量来源易于获得，缺点是响应时间较长，且温度不容易精确控制。电磁驱动是目前最常用的驱动方式，具有高效、精确和驱动持续时间长等优点，也是未来最有可能投入实际应用的驱动方式，有巨大的应用前景。图1-3不同驱动方式的软体驱动器(a)气体驱动；(b)温差驱动；(c)细胞驱动；(d)化学反应驱动；(e)光驱动；(f)电流驱动。1.1.3软体驱动器的微型化以上例子所述的软体驱动器的尺寸都较大(毫米级以上)，随着材料技术和加工制备技术的不断发展，软体驱动器的微型化研究越来越受到重视。微型软体驱动器的尺寸一般在微米范围内，这种尺寸下的软体驱动器所需驱动能量小，驱动响应速度快。在某些特殊环境下，例如在血管中或者微小的腔道中，微型软体驱动器的作用是不可替代的。德国马普智能系统研究所的MetinSitti等人[26]在《Nature》上发表了一种可以在血管内攀爬、旋转和跳跃的微型软体驱动器(图1-4a)，其主体材料是硅弹性体，负责驱动器的变形和运动，硅弹性体里掺杂了具有磁性的汝铁硼微颗粒，然后利用模板法制备出特定的形状，就可以在精确地磁场控制下完成各种复杂的运动。此外，该微型驱动器能够通过磁场控制完成对药物的包裹是释放过程，在药物输送领域开辟了新的方向。韩国全南国立大学的研究人员[27]以响应性水凝胶为材料，
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