Ny genanvendelig og genanvendelig miljøvenlig hydrogel

Princeton-forskere har skabt en ny type hydrogel, der er genanvendelig, men stadig sej og stabil nok til praktisk brug (og genbrug).

Som fleksible netværk af polymerkæder, der gennemtrænges af vand, besidder hydrogeler fremragende egenskaber, herunder blødhed, elasticitet og biokompatibilitet. Derfor har de squishy materialer allerede fundet udbredt anvendelse som kontaktlinser og sårforbindinger. Hydrogeler har også store løfter for lægemiddelleveringssystemer, landbrug og fødevareemballage, blandt andre applikationer.

Desværre udgør konventionelle hydrogeler miljøforureningsproblemer, fordi de ikke effektivt kan genbruges eller oparbejdes. Hydrogeler nedbrydes også ved langvarig brug. Forskerne sagde, at disse begrænsninger stammer fra materialernes struktur.

Konventionelle hydrogeler er afhængige af kemiske bindinger for deres fasthed og evne til at opsuge vand og andre opløsningsmidler. På et kemisk niveau er disse bindinger tværbundne, hvilket betyder, at bindinger dannes mellem forskellige polymermolekyler i hydrogelen. Denne tværbinding, der er karakteristisk for harpikser, der gennemgår hærdning eller gummivulkanisering, giver hydrogeler fleksibilitet og styrke. Men det gør dem også ekstremt svære at adskille i komponenter til genbrug.

Studiets hovedforfatter, Xiaohui Xu, en postdoc-forsker, arbejdede tidligere med hydrogeler til brug i vandrensning og spekulerede på, om hun kunne skabe en mere miljømæssigt bæredygtig hydrogel. Xu og hendes kolleger tog en ny tilgang til at bygge hydrogeler. I stedet for at stole på kemiske bindinger til at forbinde forskellige polymerer, besluttede forskerne at udnytte faseadskillelse, et velkendt fænomen, hvor blandede væsker, såsom olie og vand, adskilles i komponenter.

"Hydrogeler tilbyder en enorm samfundsmæssig fordel, men deres mangel på bæredygtighed har dukket op som et væsentligt problem," sagde Xu, en postdoktoral forsker i laboratoriet hos Rodney Priestley, Pomeroy og Betty Perry Smith professor i kemi og biologisk teknik ved Princeton. "I denne undersøgelse har vi vist, hvordan udnyttelse af faseadskillelse kan føre til nye slags hydrogeler, der er holdbare og genanvendelige og stadig har gode mekaniske egenskaber."

Forskerne beskrev processen i en undersøgelse med titlen "Tough and Recyclable Phase-Separated Supramolecular Gels via a Dehydration–Hydration Cycle," offentliggjort i JACS Au i september.

For at lave den nye hydrogel formulerede forskerne polymerer med et komplekst og varierende forhold til vand. Polymermolekyler er lange kæder af mindre molekyler (kaldet monomerer). Forskerne skabte polymerer, der er vandelskende i nogle sektioner af kæden og vandafvisende i andre sektioner. Når de tilsatte vand til polymerblandingen, absorberede dele af polymererne vandet, mens andre dele afstødte det. Denne spænding gav hydrogelen dens strukturelle styrke.

I modsætning til konventionelle hydrogeler er styrken baseret på fysiske egenskaber snarere kemiske bindinger mellem polymererne. Så det er relativt nemt at genbruge hydrogelen til dens komponentpolymerer, ligesom det gentagne gange er at dehydrere og rehydrere materialet.

Hvad mere er, sagde Xu, giver processen ingeniører mulighed for at skræddersy egenskaberne af en hydrogel ved at justere komponenterne i polymererne. Forskerholdet udnyttede dette til at skabe en hydrogel, der kunne skæres og støbes i enhver ønsket form. Til forskningen lavede Xu en blæksprutte.

"Xiaohui brugte faseadskillelse som en måde at kontrollere morfologien og i sidste ende egenskaberne af disse hydrogelmaterialer," sagde Priestley, avisens seniorforfatter og dekan for Graduate School i Princeton. "Dette arbejde demonstrerer en miljøvenlig tilgang til fremstilling af hårde og genanvendelige hydrogeler."

Princeton-forskerne satte den nye hydrogel igennem dens hastigheder og testede dens stabilitet under ekstreme sure og alkaliske forhold og i luft og vand. Over hele linjen holdt hydrogelen op og fungerede som forventet.

Med yderligere test og udvikling kan det nye materiale gøre eksisterende og nye applikationer til hydrogeler – såsom kunstige muskler og bløde robotter til sikker drift omkring mennesker – mere bæredygtige og miljøvenlige.

"Vores generelle tilgang til genanvendelige hydrogeler kan hjælpe med at udvide deres anvendelser på alle mulige områder," sagde Xu. "Fordelene ved hydrogeler kan nu bedre realiseres uden de miljømæssige omkostninger."

Xu sagde på lang sigt, at forskerholdet undersøger, om hydrogeler i sidste ende kan tjene som en erstatning for plast i mange applikationer. Hvis det er tilfældet, kan avancerede hydrogeler blive en genanvendelig løsning på plastikforurening, der truer havene.

Flere oplysninger: Xiaohui Xu et al., Hårde og genanvendelige faseseparerede supramolekylære geler via en dehydrerings-hydreringscyklus, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00326

Leveret af Princeton University