布朗大學研究人員開發(fā)的新型水凝膠顯示出在下一代生物醫(yī)學，軟機器人和微流體應(yīng)用中的巨大潛力。夠根據(jù)環(huán)境做出反應(yīng)和變化的智能材料是材料科學的未來。作為新一代研究的一部分，布朗大學的一個團隊開發(fā)了一套由水凝膠制成的動態(tài)組件，可用作軟機器人和其他生物醫(yī)學設(shè)備的樂高式構(gòu)建模塊。由布朗工程助理教授Ian Y. Wong領(lǐng)導的團隊使用了一種新型的雙聚合物材料，可以用于3D打印機，以創(chuàng)建可以彎曲，扭曲或粘在一起的組件。研究人員說，某些化學品。

他們還設(shè)計了水凝膠構(gòu)建模塊，與legos相比，可以仔細組裝然后緊密密封在一起形成定制的軟機器人或微流體設(shè)備，例如用于藥物篩選，細胞培養(yǎng)的所謂“芯片實驗室”系統(tǒng)和其他應(yīng)用程序，他們說。

水凝膠基本上是交聯(lián)的固體聚合物，這基本上意味著它們的鏈被束縛在一起。新材料功能的關(guān)鍵在于其雙聚合物組合物，其使用兩種類型的鍵將水凝膠保持在一起 - 共價和離子 - 以實現(xiàn)期望的效果。共價鍵非常強，但不可逆，而離子鍵不那么強，但可以通過添加或去除離子來逆轉(zhuǎn)。

為了開發(fā)新材料，布朗研究人員將一種共價交聯(lián)的聚合物(稱為PEGDA)和一種離子交聯(lián)的聚合物(稱為PAA)結(jié)合起來。材料的雙重性質(zhì)意味著PEGDA的債券將材料結(jié)合在一起，而PAA的債券使其具有響應(yīng)性，最近畢業(yè)的博士Thomas Valentin表示。布朗工程學院的學生，他是該項目的研究員。

“基本上，一種聚合物提供結(jié)構(gòu)完整性，而另一種聚合物能夠?qū)崿F(xiàn)這些動態(tài)行為，如彎曲或自粘合，”他說。“所以將兩者結(jié)合在一起會產(chǎn)生的材料大于其各部分的總和。”

改變屬性

具體而言，通過將材料置于富含離子的環(huán)境中，PAA將交聯(lián)，這意味著它變得更加剛性和收縮。如果研究人員將這些離子帶走，材料會隨著離子鍵斷裂而軟化和膨脹。Valentin說，同樣的工藝也可以使材料在需要時自粘。研究人員在“高分子化學”雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于他們工作的論文。

為了實現(xiàn)工作中使用的材料，研究人員將兩個單獨的部件放在一起并添加了一些離子，從而將兩個部件緊密地連接在一起。他說，這種強度和動態(tài)行為的結(jié)合使研究人員能夠開發(fā)出他們在論文中展示的軟夾具。

研究人員說，水凝膠的另一個更直接的應(yīng)用是在微流體中的潛在用途，其中水凝膠是有吸引力的，因為它們通常是無毒的以及柔軟和柔韌的，如人體組織。這種水凝膠應(yīng)用的問題通常在于它們通常難以用微流體中必需的復雜通道進行圖案化。

Valentin說，新材料及其模塊化方法解決了這個問題，它允許將復雜的微流體結(jié)構(gòu)整合到每個構(gòu)建塊中，然后像legos一樣組裝。此外，他補充說，在組裝的塊中添加離子可以實現(xiàn)防水密封。

“模塊化樂高積木非常有趣，因為我們可以為微流體裝置創(chuàng)建一個預(yù)制工具箱，”Valentin說。“您可以隨時使用不同的微流體架構(gòu)保留各種預(yù)設(shè)部件，然后您就可以獲得制作定制微流體電路所需的部件。然后你一起治愈它們就可以了。“

他們表示，研究人員計劃繼續(xù)研究這種材料，并可能采取下一步措施調(diào)整聚合物的性質(zhì)，以獲得更高的耐用性和功能性。

Elizabeth Montalbano是一位自由撰稿人，撰寫了20多年的技術(shù)和文化。她曾在鳳凰城，舊金山和紐約市作為專業(yè)記者生活和工作。在空閑時間，她喜歡沖浪，旅游，音樂，瑜伽和烹飪。她目前居住在葡萄牙西南海岸的一個村莊。