Une nouvelle méthode permet l’impression 3D de structures hydrogel sensibles à la lumière

Une équipe internationale de chercheurs a intégré des nanobâtonnets d’or dans des hydrogels qui peuvent être traités par impression 3D pour créer des structures qui se contractent lorsqu’elles sont exposées à la lumière et se dilatent à nouveau lorsque la lumière est retirée. Comme cette dilatation et cette contraction peuvent être répétées, les structures imprimées en 3D peuvent servir d’actionneurs télécommandés.

« Nous savions que l’on pouvait imprimer en 3D des hydrogels qui se contracteraient lorsqu’ils seraient chauffés », explique Joe Tracy, coauteur d’un article sur le travail et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à la North Carolina State University. « Nous savions également que l’on pouvait incorporer des nanobâtonnets d’or dans des hydrogels qui les rendraient photosensibles, c’est-à-dire qu’ils se contracteraient de manière réversible lorsqu’ils seraient exposés à la lumière.

« Nous voulions trouver un moyen d’incorporer des nanobâtonnets d’or dans des hydrogels qui nous permettrait d’imprimer en 3D des structures photoréactives. »

Les hydrogels sont des réseaux de polymères contenant de l’eau. On peut citer par exemple les lentilles de contact ou le matériau absorbant utilisé dans les couches. Et techniquement, les chercheurs n’ont pas imprimé d’hydrogel avec l’imprimante 3D. Au lieu de cela, ils ont imprimé une solution contenant des nanobâtonnets d’or et tous les ingrédients nécessaires à la création d’un hydrogel.

« Et lorsque cette solution imprimée est exposée à la lumière, les polymères de la solution forment une structure moléculaire réticulée », explique Julian Thiele, co-auteur correspondant de l’article et titulaire de la chaire de chimie organique à l’université Otto von Guericke de Magdebourg. « Cela transforme la solution en un hydrogel, dans lequel les nanobâtonnets d’or piégés sont répartis dans tout le matériau. »

Étant donné que la solution pré-hydrogel sortant de l’imprimante 3D a une très faible viscosité, vous ne pouvez pas imprimer la solution sur un substrat ordinaire, sinon vous auriez une flaque au lieu d’une structure 3D.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont imprimé la solution dans une bouillie translucide de microparticules de gélatine dans de l’eau. La buse de l’imprimante est capable de pénétrer la bouillie de gélatine et d’imprimer la solution dans la forme souhaitée. Comme la gélatine est translucide, la lumière peut pénétrer la matrice, transformant la solution en un hydrogel solide. Une fois cette opération terminée, le tout est placé dans de l’eau chaude, ce qui fait fondre la gélatine et laisse derrière lui la structure d’hydrogel 3D.

Lorsque ces structures d’hydrogel sont exposées à la lumière, les nanobâtonnets d’or intégrés convertissent cette lumière en chaleur. Cela provoque la contraction des polymères de l’hydrogel, poussant l’eau hors de l’hydrogel et rétrécissant la structure. Cependant, lorsque la lumière est retirée, les polymères refroidissent et recommencent à absorber l’eau, ce qui fait que la structure de l’hydrogel reprend ses dimensions d’origine.

« De nombreux travaux ont été réalisés sur les hydrogels qui se contractent lorsqu’ils sont exposés à la chaleur », explique Melanie Ghelardini, première auteure de l’article et ancienne doctorante à l’université d’État de Caroline du Nord. « Nous avons maintenant démontré qu’il est possible de faire la même chose lorsque l’hydrogel est exposé à la lumière, tout en ayant la possibilité d’imprimer ce matériau en 3D. Cela signifie que des applications qui nécessitaient auparavant une application directe de chaleur peuvent désormais être déclenchées à distance grâce à un éclairage. »

« Au lieu d’utiliser un moulage conventionnel, l’impression 3D de structures en hydrogel offre une liberté de conception presque illimitée », explique Thiele. « Et elle permet de préprogrammer des mouvements distincts lors de la contraction et de l’expansion déclenchées par la lumière de notre matériau photosensible. »

L’article, « Hydrogels imprimés en 3D comme actionneurs photothermiques », est publié dans la revue en libre accès Polymères.

L’article a été co-écrit par Jameson Hankwitz, ancien étudiant diplômé de NC State ; Martin Geisler, Niclas Weigel, Nicolas Hauck et Jonas Schubert de l’Institut Leibniz de recherche sur les polymères de Dresde ; et par Andreas Fery de l’Institut Leibniz de recherche sur les polymères de Dresde et de l’Université technique de Dresde.