En universel metode til nemt at designe seje og strækbare hydrogeler

I en ny rapport i NPG Asia materialer , Chisa Norioka og et team af forskere inden for kemi og materialeteknik i Japan, detaljerede en universel metode til nemt at fremstille seje og strækbare hydrogeler uden særlige strukturer eller komplikationer. De indstillede polymerisationsbetingelserne til at danne netværk med mange polymerkædeforviklinger, for at opnå energispredning gennem de resulterende materialer. Holdet forberedte de seje og strækbare hydrogeler via fri radikal-polymerisation ved hjælp af en høj monomerkoncentration og lavt tværbinderindhold for at optimere balancen mellem fysiske og kemiske tværbindinger via sammenfiltringer og kovalente bindinger. Forskerholdet brugte polymerkædeforviklinger til energispredning for at overvinde grænserne for lav mekanisk ydeevne til brug i en bred vifte af hydrogeler.

Hydrogeler

Hydrogeler består af fysisk og kemisk tværbundne polymernetværk og et højt vandindhold med et lavt elasticitetsmodul for stimulus-responsiv adfærd, meget ligesom biologiske væv. Som resultat, hydrogeler har potentielle anvendelser som biomaterialer til lægemiddelleveringssystemer, biosensorer og cellekultur. Mens hydrogeler er bløde og fleksible, de er også svage og skøre, hvor standard hydrogeler kan brydes på grund af stor deformation. For at overvinde de lave mekaniske egenskaber af hydrogeler, forskere havde designet netværksstrukturer. Hydrogeler udviser viskoelastisk adfærd for både viskøse og elastiske egenskaber, at designe hårde hydrogeler, derfor Norioka et al. fokuseret på de viskøse egenskaber. Viskositeten tillod den påførte stress at blive afslappet gennem energiafledning. Forskerne producerede hydrogel-netværk med en høj polymerkædedensitet, med stor molekylvægt mellem tværbindere for effektiv energiafledning i hele materialet. Under eksperimenterne tilføjede de høje monomerkoncentrationer og lavt tværbinderindhold for at danne hydrogelnetværk med mange sammenfiltringer for at producere de fysiske tværbindinger. For at demonstrere strategien, Norioka et al. brugt polyacrylamid (PAAm) og poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholin) (PMPC) som hovedkæderne i hydrogelerne.

Holdet testede de mekaniske egenskaber af de fremstillede PAAm-hydrogeler ved hjælp af kompressions- og træktest. De bemærkede de inhomogene PAAm hydrogeler dannet under polymerisationsbetingelser, indeholdende en høj monomerkoncentration og lavt tværbinderindhold for at være sejere end dem med en homogen netværksstruktur. Tilsvarende kvældede PAAm-hydrogeler med en høj monomerkoncentration og lavt tværbinderindhold viste også høj mekanisk sejhed og høj strækbarhed. Brug af spændings-belastningskurver under trækprøver, Norioka et al. undersøgte mekanismerne, hvorved hydrogelerne kunne blive seje og strækbare. Holdet bemærkede, at PAAm-hydrogelerne fremstillet med et tværbinderindhold på mere end 0,1 molprocent har en meget lavere sejhed end dem, der er fremstillet med et tværbinderindhold på mindre end 0,1 molprocent. De bestemte den eksperimentelle tværbindingstæthed af hydrogeler ud fra deres elasticitetsmodul, resultaterne viste, hvordan sammenfiltringen af ​​polymerkæder bidrog til PAAm-hydrogelens høje sejhed med en monomerkoncentration på 5,0 mol pr. liter og et tværbinderindhold på 0,005 molprocent.

Den alsidige eksperimentelle strategi

Norioka et al. brugte materialets viskøse egenskaber til at slappe af den påførte spænding via energiafledning. Det reducerede indhold af tværbinder øgede viskositetens bidrag til hydrogelernes mekaniske egenskaber. Holdet tunede betingelserne for netværksforberedelse i nærværelse af mange forviklinger, at udvikle seje og strækbare hydrogeler. De udførte derefter yderligere arbejde med dynamisk mekanisk analyse og homogenitet for at undersøge mekanismen i detaljer. For at demonstrere strategiens alsidighed, Norioka et al. brugt 2-(Methacryloyloxy)ethylphosphorylcholin (MPC), en biokompatibel zwitterionisk polymer, der anvendes i biomedicin til fremstilling af hydrogeler. Selvom materialet har mange potentielle anvendelser i dannelsen af ​​kontaktlinser, kunstige led og andre biomaterialer, de er ugunstigt stillede på grund af lav mekanisk styrke. Forskerne copolymeriserede MPC og acrylamider, at fremstille poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholin) (PMPC), baseret på en række monomerkoncentrationer og tværbinderindhold. PMPC-hydrogelerne med et tværbinderindhold på mindre end 0,1 molprocent gik ikke i stykker ved op til 95 procent belastning og 6-MPa stress; holdet kunne ikke skære materialerne over med en kniv. Ud over det, PMPC-hydrogelerne med mange sammenfiltringer udviste den højeste brudbelastning på grund af store forlængelser. Præparater med en høj monomerkoncentration og lavt tværbinderindhold var derfor en universel metode til fremstilling af seje og strækbare hydrogeler. Den resulterende materialekonstruktion indeholdt mange fysiske tværbindinger baseret på polymerkædesammenfiltringer til energispredning. Holdet kunne således nemt fremstille seje og strækbare hydrogeler ved at optimere forberedelsesbetingelserne for at danne mange polymerkædesammenfiltringer uden at bruge komplekse metoder.

Outlook

På denne måde Chisa Norioka og kolleger introducerede en metode til at tune polymerisationsbetingelser uden at indføre en speciel struktur eller med komplicerede metoder. Holdet optimerede det resulterende materiale ved hjælp af en høj monomerkoncentration og lavt tværbinderindhold. Strategien er anvendelig til at fremstille seje og strækbare hydrogeler ved hjælp af en række forskellige polymerer. Arbejdet vil føre til mange praktiske anvendelser inden for biomedicin og bioteknik.

© 2021 Science X Network