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A Biomimetic Bilayer Hydrogel Actuator Based on Thermoresponsive Gelatin Methacryloyl–Poly(N-isopropylacrylamide) Hydrogel with Three-Dimensional Printability

材料科学 自愈水凝胶 明胶 执行机构 双层 聚(N-异丙基丙烯酰胺) 低临界溶液温度 化学工程 纳米技术 复合材料 高分子化学 聚合物 共聚物 工程类 化学 电气工程 生物 生物化学 遗传学
作者
Yu-Chen Huang,Qian‐Pu Cheng,U‐Ser Jeng,Shan‐hui Hsu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (4): 5798-5810 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acsami.2c18961
摘要

Development of hydrogel-based actuators with programmable deformation is an important topic that arouses much attention in fundamental and applied research. Most of these actuators are nonbiodegradable or work under nonphysiological conditions. Herein, a temperature-responsive and biodegradable gelatin methacryloyl (GelMA)-poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel (i.e., GN hydrogel) network was explored as the active layer of a bilayer actuator. Small-angle X-ray scattering (SAXS) revealed that the GN hydrogel formed a mesoglobular structure (∼230 Å) upon a thermally induced phase transition. Rheological data supported that the GN hydrogel possessed 3D printability and tunable mechanical properties. A bilayer hydrogel actuator composed of active GN and passive GelMA layers was optimized by varying the layer thickness and compositions to achieve large, reproducible, and anisotropic bending with a curvature of ∼5.5 cm-1. Different patterns of the active layer were designed for actuation in programmable control. The 3D printed GN hydrogel constructs showed significant volume reduction (∼25-60% depending on construct design) at 37 °C with the resolution enhanced by the thermo-triggered actuation, while they were able to fully reswell at room temperature. A more intricate 3D printed butterfly actuator demonstrated the ability to mimic the wing movement through thermoresponsiveness. Furthermore, myoblasts laden in the GN hydrogel exhibited significant proliferation of ∼376% in 14 days. This study provides a new fabrication approach for developing biomimetic devices, artificial muscles, and soft robotics for biomedical applications.
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