Anti-træthedsbrud hydrogeler

Hydrogeler er polymernetværk infiltreret med vand, udbredt til vævstekniske køretøjer til lægemiddellevering og nye platforme til biomedicinsk teknik. Nye anvendelser for nye hydrogelmaterialer kræver robusthed under cykliske mekaniske belastninger. Materialeforskere har udviklet seje hydrogeler, der modstår brud under en enkelt cyklus af mekanisk belastning, alligevel lider disse hærdede geler stadig af træthedsbrud under flere cyklusser af belastninger. Den nuværende træthedsgrænse for syntetiske hydrogeler er rapporteret i størrelsesordenen 1 til 100 J/m ² .

I en nylig undersøgelse, Shaoting Lin og et team af materialeforskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) foreslog designet af en anti-træthedsbrud-hydrogel. For at udvikle den foreslåede hydrogel, forskerne havde brug for, at materialerne havde energier pr. arealenhed med en meget højere værdi end den, der kræves for at bryde et enkelt lag af polymerkæder. For at opnå dette, de kontrollerede indførelsen af ​​krystallinitet i hydrogeler for væsentligt at forbedre deres anti-træthedsbrudegenskaber. I dette arbejde, Lin et al. beskrev træthedstærsklen for polyvinylalkohol (PVA) med en krystallinitet på 18,9 vægtprocent (18,9 vægt%) i opsvulmet tilstand til at overstige 1000 J/m ² . Resultaterne er nu offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

Gong et al.s banebrydende arbejde har inspireret materialeforskere til at konstruere hydrogeler, der i stigende grad er svære at modstå revneudbredelse i en enkelt cyklus af mekanisk belastning til industrielle og biomedicinske applikationer. Hydrogeler hærdes via mekanismer til at sprede mekanisk energi, såsom brud på korte polymerkæder og reversible tværbindinger til strækbare polymernetværk. Endnu, de eksisterende seje hydrogeler lider af træthedsbrud under flere cyklusser af mekaniske belastninger. Den højeste træthedstærskel hidtil er 418 J/m ² for en dobbelt netværkshydrogel, poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsyre) (PAMPS)-PAAm. Resultatet krediteres den høje iboende frakturenergi i PAAm-netværket med meget lange polymerkæder.

Biologiske væv såsom brusk, sener, muskler og hjerteklapper med ekstraordinære anti-træthedsegenskaber er forholdsvis overlegne i forhold til syntetiske hydrogeler. For eksempel, biomekanikken for brudenergi i knæleddet efter længere tids belastningscyklusser er over 1000 J/m ² . Dette skyldes den iboende, anti-træthedsegenskaber af biologiske væv baseret på højt ordnede og delvist krystallinske kollagenfiberstrukturer. Lin et al. blev inspireret til at udvikle biomimetiske hydrogeler centreret om sådanne anti-træthedsegenskaber af biologiske væv. Deres hypotese var, at øget krystallinitet i syntetiske hydrogeler kunne øge træthedstærsklen for materialet, derfor vil træthedstærsklen i sådanne biomimetiske materialer være højere, da krystallinske domæner skulle brydes for sprækkeudbredelse.

For at teste hypotesen, Lin et al. brugte PVA i undersøgelsen som en model hydrogel med afstembar krystallinitet. De øgede udglødningstiden for PVA-hydrogelen for at give højere krystallinitet, større krystallinsk domænestørrelse og mindre gennemsnitlig afstand mellem de tilstødende domæner. Den øgede krystallinitet øgede i høj grad PVA-hydrogeltræthedstærsklerne (for en krystallinitet på 18,9 vægtprocent, træthedsgrænsen oversteg 1000 J/m ² .)

Forskerne skabte derefter kirigami hydrogelplader, der var meget strækbare og modstandsdygtige over for træthedsbrud. De baserede hydrogelmodellerne på en strategi for at opretholde et højt vandindhold og lave moduler, samtidig med at hydrogelerne bliver modstandsdygtige over for udmattelsesbrud. Det nye arbejde afslørede en ny anti-træthedsfrakturmekanisme i hydrogeludvikling, samt en praktisk metode til at designe sådanne hydrogeler til forskellige praktiske anvendelser.

At danne hydrogeler tværbundet af krystaldomæner under materialeudvikling, forskerne frøs først en opløsning af ikke-tværbundet PVA ved -20 grader C i 8 timer og optøede den ved 25 grader C i 3 timer. Dette blev efterfulgt af yderligere tørring i en inkubator ved 37 grader C og udglødning ved 100 grader C i en række tidsintervaller fra nul til 90 minutter. Som kontrol, forskerne fremstillede også en kemisk tværbundet PVA uden krystaldomæner (amorft polymernetværk). For at måle krystalliniteterne af de resulterende PVA-hydrogeler i deres tørre tilstand, Lin et al. brugt differential scanning kalorimetri (DSC).

Krystalliniteten af ​​PVA-prøverne steg i tør tilstand og udviklede sig yderligere med øget udglødningstid. For at kvantificere udviklende krystallinsk morfologi af prøverne, forskerne brugte lille vinkel røntgenspredning (SAXS) og vidvinkel røntgenspredning (WAXS). For at validere tuning af de krystallinske domæner i PVA-hydrogelen med øget annealingstid med fasebilleder, forskerne brugte atomkraftmikroskopi (AFM). De resulterende billeder viste lyse områder med relativt højt modul (svarende til det krystallinske domæne) og mørke områder med relativt lavt modul (svarende til den amorfe polymer).

For at udføre alle træthedstests i undersøgelsen, Lin et al. brugte fuldt opsvulmede hydrogeler nedsænket i et vandbad for at forhindre dehydrerings-inducerede revner. Brug af hundeknogleformede materialeprøver, forskerne udførte cykliske trækprøver og varierede systematisk den påførte strækning. Efterhånden som strækningen voksede, de krystallinske domæner transformeret til opstillede fibriller langs belastningsretningen.

Den energi, der kræves for at beskadige de krystallinske domæner og fibriller, var meget højere end den, der krævedes for at bryde et enkelt lag af den samme polymer i dets amorfe tilstand. Forskerne kvantificerede træthedstærsklens afhængighed af krystalliniteten. Både Youngs modul og hydrogelernes trækstyrke steg med krystalliniteten.

Lin et al. foreslog derefter en anden strategi for at indføre specifikt programmerede, højkrystallinske områder i hydrogelerne. For det, de brugte computerstøttet design af elektriske kredsløb til at inducere lokaliseret varmebehandling for at udgløde udvalgte områder af hydrogelerne. Som eksempler på proceduren, Lin et al. indførte lokalt et meget krystallinsk ringformet område omkring en revnespids. På trods af det lille areal, ændringen medførte en træthedsgrænse på mere end 236 J/m ² for at forsinke sprækkeudbredelsen. Som et andet eksempel, forskerne mønstrede mesh-lignende højkrystallinske områder på den uberørte hydrogel. Vekslingen gav en træthedstærskel på 290 J/m ² , relativt lavt Youngs modul (627 kPa) og højt vandindhold (83 vægtprocent), sammenlignet med den uberørte umodificerede hydrogel.

Lin et al. sammenlignede derefter træthedsgrænserne, vandindhold og Youngs modul af hydrogeler rapporteret i litteraturen. De viste, at ved at mønstre stærkt krystallinske områder, spids- og mesh-forstærkede PVA-hydrogeler kunne overgå de eksisterende syntetiske hydrogeler. Materialerne kan også opretholde et relativt højt vandindhold og lave Young's moduli. Forskerne sigter mod at anvende denne strategi med mønsterdannelse til stærkt krystallinske områder af forskellige strukturer af hydrogeler for at forbedre ydeevnen mod træthed.

På denne måde forbedring af hydrogelers anti-træthedsbrud ydeevne kan bidrage til en række anvendelser og forskningsretninger i avancerede materialer. I biomedicinsk teknik, anti-træthedshydrogeler kan bruges til hydrogel-baserede, implanterbare vævserstatninger af menisken, invertebral diskus og brusk. Disse medicinske oversættelser kræver mekanisk robusthed til langsigtede interaktioner med den menneskelige krop. De nyudviklede anti-træthedsbrud-hydrogeler kan tilbyde en ny materialeplatform til biomedicinske og industrielle applikationer.

© 2019 Science X Network