Forskere åbner døren for at opnå glat strukturel hydrogel med høj præcision

Hydrogeler gennemgår uundgåeligt dehydrering, strukturelt sammenbrud og krympedeformation på grund af den uafbrudte fordampning i atmosfæren og mister derved deres fleksibilitet, glathed og fremstillingspræcision.

Forskningen, offentliggjort i International Journal of Extreme Manufacturing , viser, hvordan man fremstiller en slags glat, blødt materiale med høj præcision, hvori vandmolekyler er tilbøjelige til at fordampe, men stadig er godt implementeret med strukturerede funktionelle materialer med høj kvalitet.

Men opdagelsen kunne også være overordentlig nyttig; hvis du vil opfinde noget revolutionerende, starter processen ofte først med at opdage et helt nyt materiale.

"I princippet åbner dette op for design og konstruktion af en helt ny klasse af bløde stoffer, der, våde og smørende, er nemme at forme og er modstandsdygtige over for dehydrering under atmosfæreforhold," sagde Xiaolong Wang, professor i State Key Laboratory of Solid Lubrication ved Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences og seniorforfatteren på undersøgelsen.

"I bund og grund antyder det nye muligheder for ekstremt betydelige biosmørende materialer og højpræcisionsbehandlingsteknologier," sagde Desheng Liu (forskningsassistent), den første forfatter af papiret.

Hydrogel er en slags blødt materiale med en hydrofil tredimensionel tværbundet netværksstruktur, som er blevet anvendt i vid udstrækning inden for vævsteknologi, sårforbindinger, fleksible bærbare enheder, elektronisk hud og bløde robotter på grund af deres fleksibilitet, mekaniske tilpasningsevne, biokompatibilitet , smøreevne og så videre.

Langt de ældste tilgange, såsom hygroskopiske salte og binære vand-organiske blandede opløsningsmidler, er blevet indført i bulkhydrogelerne, hvilket begrænser vandfordampningen under omgivende forhold ved at hæve entalpien for fordampning af vand. På trods af forbedret dehydreringstolerance er hydrogelerne, der er konstrueret med disse midler, uundgåeligt tilbøjelige til at ændre egenskaber såsom fugtighed, smøreevne, mekanik og endda hydrering.

Dette er fordelagtigt, fordi disse materialer er mere fleksible og vanskelige at bearbejde end traditionelle hårde materialer, men problemet er, at de ikke er særlig stabile; de kan miste deres fleksibilitet, hvis de udsættes for luft, eller hvis temperaturen bliver for høj.

I betragtning af den biologiske struktur af menneskelig hud til "vandretention" rapporterer forskerne her en ny bioinspireret strategi, der introducerer trehalose i hydrogel-netværket for at danne trehalose-inducerede hydrogenbindingsinteraktioner. Interaktionen mellem trehalose og vand kan generere overfladelaget med dehydreringstolerance i atmosfæren, hvilket resulterer i fleksible og glatte hydrogeler.

Så begyndte Liu at eksperimentere med nogle naturlige fugtgivende faktorer, der blev opdaget for år siden, men stort set ignoreret. Han lavede trehalose til en vandig opløsning for at fremstille hydrogel lysfølsomt blæk og strukturerede hydrogelmaterialer og begyndte derefter at teste dets udtørrende egenskaber. Trehalose kan således også fungere som et effektivt vandretentionsmiddel til hydrogeler ved at indføre stærke hydrogenbindingsinteraktioner for at bevare iboende egenskaber i atmosfæren.

Til forskernes forbavselse kan introduktionen af ​​trehalose i hydrogel forbedre dens dehydreringsmodstand, smøreevne, mekaniske egenskaber og fremstillingsnøjagtighed markant. Desuden var den meget stabil.

"De stærke kovalent-lignende hydrogenbindingsinteraktioner dannet af mangfoldige hydroxylgrupper på trehalosemolekylet og talrige polære grupper på de lange polymerkæder kan give overlegen duktilitet og udtørringstolerant over for glat hydrogel," sagde Liu. Det er enormt nyttigt for en glat, blød materialeenhed, der skal fungere i virkelige miljøer.

Men for forskerne var det mest slående, at det bløde materiale er vandholdigt.

"Ved at kombinere karfotopolymerisation 3D-print og trehalose-modificerede hydrogeler kan man opnå de forskellige stereoskopiske hydrogeler med ønskelig opløsning, komplicerede geometrier og skræddersyede mikroarkitekturer på makroskopisk niveau på grund af at overvinde den udtørringsinducerede krympning og kollapsdeformation i fremstillingsprocessen," sagde Wangefabrikation. "Som en proof-of-concept demonstration blev der skabt et højpræcisions hydrogel vaskulært fantom til at efterligne guidewire intervention."

Resultatet er hidtil uset for et glat hydrogelmateriale. "Det er næsten som menneskehud - du kan effektivt låse fugt inde for at forhindre overdreven fordampning og dermed have en gunstig dehydreringstolerance," sagde Wang.

Forskerne er begejstrede, fordi denne opdagelse foreslår et fundamentalt nyt designprincip for højpræcisionsfremstilling af hydrogelmaterialer. Naturlige fugtgivende faktorer er så vigtige for hydrogelmaterialer, at næsten enhver ny udvikling af blødt materiale vil åbne nye grænser for additive fremstillingsteknikker, forklarede de.

Det menes, at den foreslåede metode baner vejen mod fremstilling af storskala strukturelle hydrogeler med dehydreringstolerance i atmosfæren, hvilket udvider deres anvendelse i komplekse miljøer.

Holdet udforsker også de forskellige strukturer og funktioner, som hydrogelmaterialer kan producere ved at udnytte VAT-fotopolymerisation 3D-print. "Vi mener, at vi foreslog en bekvem og alsidig strategi, der tilpasser sig til fremstilling af hydrogeler i stor skala med sofistikerede arkitekturer i en langsigtet proces," sagde Wang.

Flere oplysninger: Desheng Liu et al., Glat hydrogel med udtørringstolerant 'hud' til højpræcisions additiv fremstilling, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ad1730

Leveret af International Journal of Extreme Manufacturing