Hydrogel-assisteret mikrofluidisk spinding af strækbare fibre via fluidisk og grænseflade-selvtilpasning

Strækbare polymerfibre har betydelig indflydelse, selvom deres produktion kræver strenge miljømetoder og ressourceforbrug. Processen er udfordrende for elastiske polymerer med reduceret spinbarhed og høj ydeevne, såsom silikoner, polydimethylsiloxan og ecoflex.

Guoxu Zhao og et team af forskere inden for medicinsk teknik, materialevidenskab og biovidenskab i Kina har præsenteret en hydrogel-assisteret mikrofluidisk spindemetode til at løse sådanne udfordringer, som de opnåede ved at indkapsle præpolymerer i lang, beskyttende og opofrende hydrogel fibre.

Forskningen er blevet publiceret i tidsskriftet Science Advances .

De designede enkle apparater og regulerede selvtilpasningen af ​​olie/vandstrømme til væske og grænseflader for at kunne producere fibre med en bredt reguleret diameter, bemærkelsesværdig længde og høj kvalitet. Metoden muliggjorde nem, effektiv omformning af spiralformede fibre for enestående strækbarhed og mekanisk regulering.

Fibrene har potentielle anvendelser som tekstilkomponenter og optoelektroniske enheder. Metoden giver en kraftfuld vej til at masseproducere højkvalitets strækbare fibre.

Strækbare polymerer

Iboende strækbare fibre har udbredte anvendelser sammenlignet med ikke-strækbare fibre, hvor strækbare fibre kan bevare deres funktioner under mekanisk dynamik for at realisere specifikke anvendelser. Strækbare polymerer kan inkorporeres for at udvikle biomaterialer og bioelektronik med stigende opmærksomhed opnået for deres evne til at tilpasse sig menneskelige kroppe.

Imidlertid er den store fabrikation og brug af materialer begrænsende inden for de spinbare elastiske polymerer, herunder polyurethan og poly (styren-co-ethylen-butylen-co-styren). Materialerne kan forarbejdes ved at bruge traditionelle spindemetoder.

Sådanne spindbare polymerer kan fremstilles til smelter eller opløsninger, der er formet som fiberlignende væsker. Alginathydrogeler, der således dannes mellem alginatmolekyler og kationer, er i vid udstrækning på grund af deres biokompatibilitet, bionedbrydelighed og justerbare mekaniske egenskaber.

For at realisere en spindeteknik, der er egnet til slow cuing og oliefase-præpolymerer, udviklede teamet et mikrofluidisk spinningssystem til at indkapsle præpolymererne med alginathydrogelfibre og studerede de relaterede mekanismer og påvirkninger.

Den hydrogel-assisteret mikrofluidisk spinning (HAMS) metode

En enkel, effektiv og skalerbar hydrogel-assisteret mikrofluidisk spindemetode kan, under omgivelsestemperatur i fravær af et organisk opløsningsmiddel, producere oliefase præpolymerer-baserede strækbare fibre. Præpolymererne og den vandige natriumalginatopløsning kan co-ekstruderes til en vandig calciumchloridopløsning for at skabe en hydrogelfiber/skal. HAMS-metoden kan realisere fibergeometrier for at omforme produktionen af ​​spiralformede fibre. Metodens anvendelsespotentiale vises ved at fremstille fibre fra forskellige præpolymerer for at undersøge deres alsidighed.

Fiberudvikling med forskellige viskositeter

Forskerholdet undersøgte strømningsviskositetens indflydelse på fiberspinding ved at bruge flydende polydimethylsiloxan (PDMS) og thixotropisk PDMS, som reagerede forskelligt på strømningshastighederne.

Forskerne undersøgte anvendeligheden af ​​HAMS-metoden ved at bruge Ecoflex, neutral silikone og kulstofnanorør-komposit PDMS. HAMS-metoden lover godt at producere oliefase-præpolymerbaserede strækbare fibre. Forskerne undersøgte yderligere, hvordan den fluidiske og grænseflade-selvtilpasning medierede oliefasens spindingsmekanismer. Spundne fibre udviklet via HAMS-metoden er en beskyttende og fleksibel hydrogel for gunstige mekaniske egenskaber og funktioner.

Holdet omformede spiralformede strukturer ved at løfte luftspinfibre fra calciumchloridopløsning og pakke dem ind på stangskabeloner for at danne spiralformede fibre med ensartede strukturer, et bredt størrelsesområde og fremragende stabilitet. Metoden tilbyder en vidt reguleret tilgang til at skabe ekstremt strækbare spiralformede fibre. Med disse grundlæggende principper kan regelmæssige spiralformede strukturer let og effektivt pakkes ind for at producere spiralformede fibre.

Polymeregenskaber

Zhao og kolleger vurderede rollen af ​​præpolymer-rheologiblandinger med forskellige volumenforhold af PDMS og indstillede nålestørrelserne for at indikere muligheden for at realisere den hydrogel-assisterede mikrofluidisk spinning-metode. Selvom denne proces med at indkapsle lavviskose olier med hydrogelfibre er godt undersøgt, er det vigtigt at studere mekanismerne og optimeringsstrategierne for den hydrogel-assisterede mikrofluidiske spinningmetode.

De undersøgte også den bærbare sensorydeevne af PDMS optiske fibre for at skabe fingerbøjnings- og berøringssignaler, der er egnede til at input og transmittere Morse-information; som bærbare mekaniske sensorer.

Zhao og kolleger undersøgte yderligere fibrenes mekaniske sensorydeevne, hvor modstanden præcist reagerede på cyklisk strækning med forskellige belastninger. Resultaterne fremhævede anvendelsespotentialet ved metoden til at producere lige, fiberbaserede, bærbare belastningssensorer og ultra-strækbare ledere.

Outlook

På denne måde udviklede Guoxu Zhao og teamet en hydrogel-assisteret mikrofluidisk spindemetode til fremstilling af langsomme oliefase-præpolymerer baseret på strækbare fibre. Denne hydrogel-assisterede mikrofluidiske spindemetode kan udføres uden at smelte eller opløse polymerer via et højt forbrug af energi eller organisk opløsningsmiddel, som en økonomisk og miljømæssig gunstig strategi. Ved at bruge hurtighærdende præpolymerer sammen med to-komponent sprøjte og blandehoved, kan hærdningsprocessen accelereres.

Flere oplysninger: Guoxu Zhao et al., Hydrogel-assisteret mikrofluidisk spinding af strækbare fibre via fluidiske og grænseflade-selvtilpasninger, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj5407

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

© 2023 Science X Network