Multimaterial cryogenic printing of three-dimensional soft hydrogel machines

软机器人 材料科学 纳米技术 3D打印 软质材料 计算机科学 制作 自愈水凝胶 软物质 机器人 机械工程 人工智能 工程类 复合材料 病理 替代医学 高分子化学 医学 胶体 化学工程
作者
Jinhao Li,Jie Cao,Rong Bian,Rongtai Wan,Xiangyang Zhu,Baoyang Lu,Guoying Gu
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:16 (1) 被引量:27
标识
DOI:10.1038/s41467-024-55323-6
摘要

Hydrogel-based soft machines are promising in diverse applications, such as biomedical electronics and soft robotics. However, current fabrication techniques generally struggle to construct multimaterial three-dimensional hydrogel architectures for soft machines and robots, owing to the inherent hydrogel softness from the low-density polymer network nature. Herein, we present a multimaterial cryogenic printing (MCP) technique that can fabricate sophisticated soft hydrogel machines with accurate yet complex architectures and robust multimaterial interfaces. Our MCP technique harnesses a universal all-in-cryogenic solvent phase transition strategy, involving instant ink solidification followed by in-situ synchronous solvent melting and cross-linking. We, therefore, can facilely fabricate various multimaterial 3D hydrogel structures with high aspect ratio complex geometries (overhanging, thin-walled, and hollow) in high fidelity. Using this approach, we design and manufacture all-printed all-hydrogel soft machines with versatile functions, such as self-sensing biomimetic heart valves with leaflet-status perception and untethered multimode turbine robots capable of in-tube blockage removal and transportation. Hydrogel-based machines have potential in a range of applications, but it can be challenging to prepare multimaterial devices with complex structures. Here, the authors report the development of a multimaterial cryogenic printing technique that can be used to prepare three-dimensional structures with geometries such as overhanging, thin-walled and hollow.
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