3D-печатные гидрогелевые роботы помогут создавать гибкие хирургические инструменты

Ученые Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана и Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН создали мягких гидрогелевых роботов с программируемым изменением формы при нагревании. Подобные устройства можно использовать, например, при создании гибких хирургических инструментов, способных захватывать и перемещать имплантаты в организме на заданные места.

Образец мягкого робота после нагревания (слева) и лепесток розы (справа)

Мягкие роботы на основе гигроскопичных гидрогелевых материалов могут найти применение в электронных устройствах, датчиках и медицинских приборах. Благодаря механическим свойствам и биосовместимости мягкие элементы на основе гидрогелей могут применяться при установке имплантатов, для формирования искусственных мышц и электронной кожи, а также при создании хирургических микроманипуляторов, сообщает пресс-служба Российского научного фонда.

Если в составе гидрогеля скомбинировать несколько материалов, по-разному меняющих свойства под воздействием внешних стимулов, например кислотности среды, температуры, магнитного поля, света или других условий, можно добиться сложносоставных движений — заставить гидрогель изгибаться, скручиваться, переворачиваться. Точно настроить гибкость гидрогелевых роботов можно с помощью 3D-печати, нанося узоры из разных материалов с точностью до тысячной доли миллиметра. В настоящее время исследователи работают над созданием узоров, позволяющих получать мягких роботов с разными формами и типами движений.

Ученые Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана и Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН разработали однослойного гидрогелевого робота, изменяющего форму после погружения в воду при температуре, близкой к температуре человеческого тела. При комнатной температуре робот имеет вид пластинки, а при нагревании сворачивается подобно листьям папоротника или лепестков роз.

Исследователи синтезировали два типа чернил — термочувствительные на основе биосовместимого полимера и магнитные на основе соединений железа. Авторы нанесли чернила на силиконовую подложку, сформировав узор в виде плоской 2D-спирали. Готовую гидрогелевую пластинку исследователи поместили на тридцать секунд в воду, нагретую до 37°С и имитирующую внутреннюю среду человеческого организма. Чувствительный к температуре компонент гидрогеля после погружения обратимо менял форму, образовывая 3D-объект заданной формы, похожий на лепесток розы.

Изменив начальный узор со спирали на чередующиеся полосы, исследователи получили робота, по форме напоминающего руку и способного захватывать предметы. Регулируя количество, ширину и углы расположения полос относительно главной оси материала, ученые смогли контролировать степень сворачивания полученных гидрогелевых листков: чем короче полосы, тем сильнее изгибался материал. Благодаря магнитным полосам в составе материала авторы могли перемещать роботов в пространстве под воздействием магнитных полей. Такая контролируемая подвижность позволит точнее позиционировать хирургические инструменты на его основе. Устройства на основе материала, способного одновременно изгибаться и двигаться под воздействием магнитных полей, могут найти применение в микрохирургии.

«В настоящее время создание мягких манипуляторов для хирургии — актуальная задача. Их можно использовать, например, при установке имплантатов, извлечении тромбов, а также во время операций для перемещения тканей», — рассказала инженер Московского государственного технического университет имени Н. Э. Баумана Анастасия Беляева.

«В наших следующих работах мы планируем печатать более сложные узоры и формировать различные типы движений за счет внедрения новых чернил с ионной проводимостью, а также повышать точность 3D-печати», — прокомментировала руководительница проекта, старшая научная сотрудница Московского государственного технического университет имени Н. Э. Баумана Софья Морозова.

Исследование выполнено при грантовой поддержке Российского научного фонда, результаты опубликованы в журнале Materials Today Communications.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.