Dynamisk hydrogel bruges til at lave bløde robotkomponenter og LEGO-lignende byggeklodser

Ved at bruge en ny type dobbelt polymermateriale, der er i stand til at reagere dynamisk på omgivelserne, Brown University-forskere har udviklet et sæt modulære hydrogelkomponenter, der kan være nyttige i en række "bløde robotter" og biomedicinske applikationer.

Komponenterne, som er mønstret af en 3-D printer, er i stand til at bøje, vridning eller klæber sammen som reaktion på behandling med visse kemikalier. For et papir udgivet i tidsskriftet Polymerkemi , forskerne demonstrerede en blød griber, der var i stand til at aktivere efter behov for at opfange små genstande. De designede også LEGO-lignende hydrogel-byggeklodser, der omhyggeligt kan samles og derefter tæt forsegles sammen for at danne skræddersyede mikrofluidiske enheder - "lab-on-a-chip"-systemer, der bruges til lægemiddelscreening, cellekulturer og andre applikationer.

Nøglen til det nye materiales funktionalitet er dets dobbelte polymersammensætning, siger forskerne.

"I bund og grund, den ene polymer giver strukturel integritet, mens den anden muliggør denne dynamiske adfærd som bøjning eller selvklæbning, sagde Thomas Valentin, en nyuddannet ph.d. studerende ved Brown's School of Engineering og avisens hovedforfatter. "Så at sætte de to sammen giver et materiale, der er større end summen af ​​dets dele."

Hydrogeler størkner, når polymertrådene i dem bliver bundet til hinanden, en proces kaldet tværbinding. Der er to typer bindinger, der holder tværbundne polymerer sammen:kovalente og ioniske. Kovalente bindinger er ret stærke, men irreversible. Når to strenge er forbundet kovalent, det er lettere at bryde strengen end det er at bryde bindingen. Ionbindinger på den anden side er ikke helt så stærke, men de kan vendes. Tilføjelse af ioner (atomer eller molekyler med en netto positiv eller negativ ladning) vil få bindingerne til at dannes. Fjernelse af ioner vil få bindingerne til at falde fra hinanden.

Til dette nye materiale, forskerne kombinerede en polymer, der er kovalent tværbundet, kaldet PEGDA, og en der er ionisk tværbundet, kaldet PAA. PEGDA's stærke kovalente bindinger holder materialet sammen, mens PAA's ioniske bindinger gør den lydhør. Anbringelse af materialet i et ionrigt miljø får PAA til at tværbinde, hvilket betyder, at den bliver mere stiv og trækker sig sammen. Tag de ioner væk, og materialet blødgøres og svulmer, når ionbindingerne brydes. Samme proces gør det også muligt for materialet at være selvklæbende, når det ønskes. Sæt to separate stykker sammen, tilføje nogle ioner, og stykkerne hænger tæt sammen.

Denne kombination af styrke og dynamisk adfærd gjorde forskerne i stand til at lave deres bløde griber. De mønstrede hver af griberens "fingre" til at have ren PEGDA på den ene side og en PEGDA-PAA blanding på den anden. Tilføjelse af ioner fik PEGDA-PAA-siden til at skrumpe og styrke, som trak de to gribefingre sammen. Forskerne viste, at opstillingen var stærk nok til at løfte små genstande, der vejede omkring et gram, og holde dem mod tyngdekraften.

"Der er stor interesse for materialer, der kan ændre deres former og automatisk tilpasse sig forskellige miljøer, " sagde Ian Y. Wong, en adjunkt i ingeniørvidenskab og avisens tilsvarende forfatter. "Så her demonstrerer vi et materiale, som kan bøje og omkonfigurere sig selv som reaktion på en ekstern stimulus."

Men potentielt er en mere umiddelbar anvendelse inden for mikrofluidik, siger forskerne.

Hydrogeler er et attraktivt materiale til mikrofluidiske enheder, især dem, der anvendes i biomedicinske tests. De er bløde og fleksible som menneskeligt væv, og generelt ikke -toksisk. Problemet er, at hydrogeler ofte er vanskelige at mønstre med de komplekse kanaler og kamre, der er nødvendige i mikrofluidik.

Men dette nye materiale – og LEGO-klodskonceptet, det muliggør – tilbyder en potentiel løsning. 3-D printprocessen gør det muligt at inkorporere komplekse mikrofluidiske arkitekturer i hver blok. Disse klodser kan derefter samles ved hjælp af en fatningskonfiguration, der ligner den for rigtige LEGO klodser. Tilføjelse af ioner til de samlede blokke giver en vandtæt forsegling.

"De modulære LEGO -blokke er interessante, fordi vi kunne oprette en præfabrikeret værktøjskasse til mikrofluidiske enheder, " sagde Valentin. "Du har en række forudindstillede dele med forskellige mikrofluidiske arkitekturer ved hånden, og så får du bare fat i dem, du skal bruge for at lave dit brugerdefinerede mikrofluidiske kredsløb. Så healer du dem sammen, og det er klar til at gå."

Og opbevaring af blokkene i lange perioder før brug ser ikke ud til at være et problem, siger forskerne.

"Nogle af de prøver, vi testede til denne undersøgelse, var tre eller fire måneder gamle, " sagde Eric DuBois, en brun bachelor og medforfatter på papiret. "Så vi tror, ​​at disse kunne forblive brugbare i en længere periode."

Forskerne siger, at de vil fortsætte med at arbejde med materialet, potentielt tweaking polymerernes egenskaber for at få endnu mere holdbarhed og funktionalitet.