Curved hydrogel surfaces bearing chemical patterns are highly desirable in various applications, including artificial blood vessels, wearable electronics, and soft robotics. However, previous studies on the fabrication of chemical patterns on hydrogels employed two-photon lithography, which is still not widely accessible to most laboratories. This work demonstrates a new patterning technique for fabricating curved hydrogels with chemical patterns on their surfaces without two-photon microscopy. In this work, we show that exposing hydrogels in fluorophore solutions to single photons via confocal microscopy enables the patterning of fluorophores on hydrogels. By applying this technique to highly stretchable hydrogels, we demonstrate three applications: (1) improving pattern resolution by fabricating patterns on stretched hydrogels and then returning the hydrogels to their initial, unstretched length; (2) modifying the local stretchability of hydrogels at a microscale resolution; and (3) fabricating perfusable microchannels with chemical patterns by winding chemically patterned hydrogels around a template, embedding the hydrogels in a second hydrogel, and then removing the template. The patterning method demonstrated in this work may facilitate a better mimicking of the physicochemical properties of organs in tissue engineering and may be used to make hydrogel robots with specific chemical functionalities.
화학 패턴을 가진 굴곡진 하이드로젤 표면은 인공 혈관, 웨어러블 소자, 소프트 로보틱스 등 다양한 분야에서 요구된다. 그러나 기존의 연구들에서 하이드로젤 내부 화학 패턴의 제작을 위해 사용되던 이광자 리소그래피는 대부분의 실험실에서 접근성이 부족하다. 이에 따라, 본 논문에서 이광자 현미경 없이 표면에 화학 패턴을 가지는 굴곡진 하이드로젤을 제작할 수 있는 새로운 패터닝 기법을 제시한다. 본 논문에서는 하이드로젤에 형광 분자를 패터닝할 수 있는 공초점 현미경을 이용하여 형광 분자 용액에 염색된 하이드로젤을 단광자로 노광한다. 해당 기법을 신축성 하이드로젤에 적용하여 세 가지 응용 방안을 실증하였다: (1) 신장된 하이드로젤에서 패턴을 제작하고 하이드로젤을 복원시켜 패턴 해상도 개선; (2)미시적 해상도에서 하이드로젤의 신축력 조절; (3) 패터닝된 하이드로젤을 형판에 감고, 2차 하이드로젤에 내장한 뒤 형판을 제거하여 화학 패턴을 가지고 있는 관류 가능한 미세 채널의 제작. 본 논문에서 실증된 패터닝 방법은 조직 공학에서 기관의 물리적/화학적 성질을 더 잘 모방할 수 있게 하고 특정 화학적 기능성을 가지는 하이드로젤 로봇을 만들 수 있을 것으로 생각된다.
