Udvikling af et ultrahurtigt biomimetisk snap-hydrogelmateriale med dobbelt gradient

Bioinspirerede materialer er designet og konstrueret til at efterligne naturens biologiske funktioner; hurtig aktivering er dog en vigtig, men udfordrende opgave at genskabe i laboratoriet. I en nylig undersøgelse, Wenxin Fan og medarbejdere i de tværfaglige afdelinger for materialevidenskab, ingeniørarbejde, kemi, biokemi og makromolekylær videnskab i USA og Kina, præsenterede et nyt paradigme til at designe responsive hydrogelplader, der kunne udvise ultrahurtig og omvendt snapping-deformation. De konstruerede hydrogelpladerne med dobbeltgradientarkitektur for at akkumulere elastisk energi i polymererne ved at konvertere forudlagret energi til hurtig omvendt snapping og energifrigivelse.

Fan et al. kontrollerede størrelsen og placeringen af ​​lagret energi i hydrogelpladerne for at programmere deres snapreaktion og opnå forskellige strukturer og aktiveringsadfærd. De udviklede derefter en teoretisk model for at demonstrere den afgørende rolle af dobbelte gradienter og forudsagde snapbevægelsen af ​​en række forskellige hydrogelmaterialer. Det nye designprincip vil give vejledning til ingeniøraktueringsmaterialer til applikationer inden for vævsteknologi, blød robotik og som aktive medicinske implantater. Resultaterne er nu offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

Formtransformation er allestedsnærværende i levende systemer såsom kødædende planter, der strategisk fanger bytte, giver en naturlig inspirationskilde til at konstruere funktionelle formtransformerende materialer i laboratoriet. Responsive hydrogeler er i stand til at transformere form under en række stimuli, med lovende applikationer, der allerede er leveret inden for blød robotteknologi, medicin levering, vævsteknologi og mikrofluidik.

Forskere har brugt termo-responsive polymerer såsom poly(N, N-dimethylaminoethylmethacrylat) (PDMAEMA) og poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) til at designe sådanne formtransformerende materialer. Formtransformation af hydrogeler afhænger hovedsageligt af de forskellige kvældningshastigheder af hydrogeler i forskellige områder af materialerne, hvor den gradvise formudvikling drives via in-plan og out-of-plan mismatch i det skiftende volumen af ​​hydrogeler. Nuværende bestræbelser fokuserer derfor på at forbedre formkompleksiteten for at diversificere materialets reaktion på ydre stimuli.

Som et eksempel, Venus-fluefældens blade kan hurtigt lukke og fange insekter på en tiendedel af et sekund, som adskiller sig fra syntetiske hydrogeler, der hidtil kun har vist gradvis og relativt langsom formtransformation. Venus-fluefældens ekstremt hurtige bevægelse tilskrives akkumulering og hurtig frigivelse af energi, der kan hjælpe den pludselige, endnu, diskontinuerlig bevægelse er afgørende for at udvikle ultrahurtige aktuatorer med brede anvendelser inden for blød robotteknologi gennem biomimik. Eksisterende tilgange til at opnå denne type bevægelse er afhængige af reversibel skift mellem konkave og konvekse strukturer af bistabile polymerplader - men denne strategi tillader kun begrænset strukturel kompleksitet og aktiveringsadfærd. Som resultat, et eksisterende behov forbliver for at designe nye principper for snap-bevægelse, der vil blive flettet ind i responsive biomaterialer.

I nærværende arbejde, Fan et al. rapporteret om et naturinspireret design af responsive hydrogelplader, der akkumulerede elastisk energi og hurtigt frigav energien under ultrahurtig snapping-deformation. Ved hjælp af eksperimentelle resultater og teoretiske modeller, forskerne viste, at hydrogelernes snapbevægelse stammede fra deres dobbeltgradient (polymerkædedensitetsgradient og tværbindingstæthedsgradient) strukturelle design. I eksperimenterne brugte de reduceret grafenoxid (rGO)/PDMAEMA-komposithydrogelplader med dobbeltgradientstrukturer som et modelsystem og demonstrerede, at arkene kunne akkumulere elastisk energi og konvertere den forudlagrede termiske eller kemiske energi til hurtigt at snappe.

Mekanisk, den nye hydrogel kunne snappe baglæns under et sekund ( <1 s), at frigive den lagrede elastiske energi som reaktion på ydre stimuli. Fan et al. var i stand til at indstille hastigheden, vinkel og placering af snapping i hydrogelarket for at kontrollere positionen og størrelsen af ​​forudlagret energi. Som resultat, forskerne var i stand til at programmere arkene til at opnå forskellige strukturer og aktiveringsadfærd. De foreslår at udvide de nye designprincipper for snapping deformation til andre materialer, herunder pæne hydrogeler og elastomerer i fremtidigt arbejde.

Fan et al. konstruerede først den sammensatte rGO/PDMAEMA-komposithydrogel under ultraviolet (UV)-induceret fri radikalgenerering af GO (grafenoxid) for at initiere polymerisering af DMAEMA (monomer) og N, N'-methylen-bis-acrylamid (MBA; tværbindingsmiddel). De bestrålede en blanding af GO, DMAEMA og MBA fyldte mellem et forseglet rum med UV-lys og viste, hvordan lysintensiteten langs siden genererede en højere koncentration af frie radikaler på GO-overfladen for hurtigere polymerisering. Fremstillingsprocessen tillod karakteristisk højere kædetæthed og tværbindingstæthed af hydrogelen, hvilket blev bekræftet ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM), konfokal laser scanningsmikroskopi (CLSM), Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og Ramanspektre.

Da forskerne nedsænkede det mønstrede hydrogelmateriale fra vand ved 20 ⁰ C til 60 ⁰ C højere end dens volumenfaseovergangstemperatur, det oprindeligt flade sammensatte hydrogelark buede op. Ved at udskifte den i det 20 ⁰ C vandbad, hydrogelen tog en helt anden vej for at vende transformation af sin form, giver anledning til en ny mellemtilstand. Fan et al. observerede den hurtige, omvendt snap (på mindre end 1 sekund) forbundet med en kraftigt øget bøjningsvinkel fra 38 grader til 540 grader, gradvist at rulle ud og blive en flad struktur som før, på cirka 60 min. Forskerne udledte den omvendte snapping af hydrogelplader som en ny mekanisme for energitransformation og opdelte processen i tre trin.

(1) Konvertering af en del af den forudlagrede termiske/kemiske effektive energi (E*) til kumulativ elastisk energi under udrulning af krøllet ark.

(2) Øjeblikkelig frigivelse af akkumuleret elastisk energi (E') i form af snapping, og

(3) Gradvis frigivelse af hvileenergien (E") for at krølle yderligere efter snapping.

Temperaturvariation i den eksperimentelle opsætning påvirkede deformationshastigheden af ​​hydrogelarket. Som resultat, Fan et al. var i stand til kvantitativt at programmere arkernes snappinghastighed ved at justere størrelsen af ​​dens forudlagrede energi med variable temperaturer, for at stimulere gelen.

Som et bevis på princippet, de demonstrerede de selvregulerede aktiveringsevner, hvor den præstimulerede hydrogel-ark-snapmekanisme udløste vægtløftning i vandtemperaturer varierende fra 20 ⁰ C til 60 ⁰ C. Den maksimale vægt, der kunne løftes, steg med skiftende temperatur. Forskerne leverede et koncept til at kontrollere energilagring og frigivelse i hydrogeler, tillader intelligent materialedesign med programmerbar bevægelse indpodet med evner til masseidentifikation og strømregulering.

På grund af den svage polyelektrolyt-karakter af PDMAEMA, Fan et al. viste også, at snapbevægelsen kunne reguleres ved at stimulere gelens pH gennem ionstyrke (IS) variation. Ligesom med temperaturstimulering, hydrogelpladerne viste lignende mekanistisk adfærd, under en bred vifte af IS-forhold. De nye materialer blev således bygget med alsidighed for at overgå de eksisterende begrænsninger for snævre driftsforhold inden for materialeteknik.

Forskerne viste også, at de sammensatte hydrogeler reagerede på nær-infrarødt (NIR) lys på grund af fototermiske effekter af rGO-bestanddelen. De demonstrerede programmerbar foldning af gel-arket til en terning via kontrolleret lyseksponering og energilagring i arket som et eksempel, med stort potentiale inden for biomedicin til minimalt invasive kirurgiske indgreb og i blød robotteknologi. Forskerne kvantificerede derefter snapping-processen for at etablere et generelt kriterium for invers snapping og krediterede den karakteristiske natur til hydrogelarkets dobbeltgradientstruktur. Forskerne bekræftede det generelle kriterium for omvendt snapping ved at sammenligne deformationsadfærden af ​​tolags PNIPAM-hydrogelplader med dobbelte gradienter og dem med tværbindingstæthed alene. De fandt ud af, at PNIPAM-ark med dobbelt gradient udviste omvendte snapbevægelser, mens alle single-gradient hydrogeler kun viste konventionel simpel bøjning som reaktion på termisk stimulation.

På denne måde forskerne demonstrerede et generelt princip for at designe hydrogeler ved at bruge energitransformationsevnen til at udløse programmerbar snapping-deformation. De kontrollerede størrelsen og stedet for energiforopbevaring i hydrogelerne for at programmere omvendt snapping og opnå forskellige aktiveringer og strukturer. Fan et al. krediteret den energitransformationsinducerede snapping til dobbeltgradientstrukturen (indeholdende en polymerkædedensitetsgradient og tværbindingsdensitetsgradient). De foreslog i sidste ende en teoretisk model til at fortolke og forudsige snapping af hydrogeler, hvilket stemte overens med de eksperimentelle observationer.

Dual-gradient hydrogelen kan fungere direkte som en selvkørende, intelligent aktuator tilført evnen til at identificere vægte og kontrollere kraft under konstante stimuli. Forskningen vil give ny indsigt til hurtigt at aktivere forskellige materialer sammen med praktisk vejledning i design og udvikling af autonome aktuatorer, blød robotik og aktive medicinske implantater i fremtiden.

© 2019 Science X Network