Forskere skaber nyt smart materiale med potentielle biomedicinske, miljømæssige anvendelser

Brown University forskere har vist en måde at bruge grafenoxid (GO) til at tilføje noget rygrad til hydrogelmaterialer lavet af alginat, et naturligt materiale afledt af tang, der i øjeblikket bruges i en række biomedicinske applikationer. I et papir offentliggjort i tidsskriftet Kulstof , forskerne beskriver en 3-D-printmetode til at lave indviklede og holdbare alginat-GO-strukturer, der er langt stivere og mere brudbestandige end alginat alene.

"En begrænsende faktor i brugen af ​​alginathydrogeler er, at de er meget skrøbelige - de har en tendens til at falde fra hinanden under mekanisk belastning eller i opløsninger med lavt saltindhold, sagde Thomas Valentin, en ph.d. studerende på Brown's School of Engineering, der ledede arbejdet. "Det, vi viste, er ved at inkludere grafenoxid-nanoark, vi kan gøre disse strukturer meget mere robuste."

Materialet er også i stand til at blive stivere eller blødere som reaktion på forskellige kemiske behandlinger, hvilket betyder, at det kunne bruges til at lave "smarte" materialer, der er i stand til at reagere på deres omgivelser i realtid, viser forskningen. Ud over, alginat-GO bevarer alginatets evne til at afvise olier, giver det nye materiale potentiale som en robust antifouling belægning.

3-D-printmetoden, der bruges til at fremstille materialerne, er kendt som stereolitografi. Teknikken bruger en ultraviolet laser styret af et computerstøttet designsystem til at spore mønstre på tværs af overfladen af ​​en fotoaktiv polymeropløsning. Lyset får polymererne til at binde sammen, danner solide 3D-strukturer fra opløsningen. Sporingsprocessen gentages, indtil et helt objekt er bygget lag for lag nedefra og op. I dette tilfælde blev polymeropløsningen fremstillet ved hjælp af natriumalginat blandet med plader af grafenoxid, et kulstofbaseret materiale, der danner et-atom-tykke nanoplader, der er stærkere pund-for-pund end stål.

En fordel ved teknikken er, at natriumalginatpolymererne forbindes gennem ionbindinger. Bindingerne er stærke nok til at holde materialet sammen, men de kan brydes ved visse kemiske behandlinger. Det giver materialet evnen til at reagere dynamisk på ydre stimuli. Tidligere, Brown-forskerne viste, at denne "ioniske tværbinding" kan bruges til at skabe alginatmaterialer, der nedbrydes efter behov, opløses hurtigt, når det behandles med et kemikalie, der fejer ioner væk fra materialets indre struktur.

Til denne nye undersøgelse, forskerne ønskede at se, hvordan grafenoxid kunne ændre mekaniske egenskaber af alginatstrukturer. De viste, at alginat-GO kunne gøres dobbelt så stiv som alginat alene, og langt mere modstandsdygtig over for svigt gennem revner.

"Tilsætningen af ​​grafenoxid stabiliserer alginathydrogelen med hydrogenbinding, " sagde Ian Y. Wong, en assisterende professor i teknik ved Brown og avisens seniorforfatter. "Vi tror, ​​at brudmodstanden skyldes, at revner skal omveje rundt om de indskudte grafenplader i stedet for at være i stand til at bryde lige gennem homogent alginat."

Den ekstra stivhed gjorde det muligt for forskerne at printe strukturer, der havde overhængende dele, hvilket ville have været umuligt at bruge alginat alene. I øvrigt, den øgede stivhed forhindrede ikke alginat-GO i også at reagere på eksterne stimuli, som alginat alene kan. Forskerne viste, at ved at bade materialerne i et kemikalie, der fjerner dets ioner, materialerne svulmede op og blev meget blødere. Materialerne genvandt deres stivhed, når ioner blev genoprettet gennem badning i ioniske salte. Eksperimenter viste, at materialernes stivhed kunne indstilles over en faktor på 500 ved at variere deres ydre ioniske miljø.

Den evne til at ændre dens stivhed kunne gøre alginat-GO nyttig i en række forskellige applikationer, siger forskerne, herunder dynamiske cellekulturer.

"Du kunne forestille dig et scenarie, hvor du kan afbilde levende celler i et stift miljø og derefter straks skifte til et blødere miljø for at se, hvordan de samme celler kan reagere, " sagde Valentin. Det kunne være nyttigt til at studere, hvordan kræftceller eller immunceller migrerer gennem forskellige organer i hele kroppen.

Og fordi alginat-GO bevarer de kraftfulde olieafvisende egenskaber af rent alginat, det nye materiale kunne danne en fremragende belægning for at forhindre olie og andet snavs i at samle sig på overflader. I en række eksperimenter, forskerne viste, at en belægning af alginat-GO kunne forhindre olie i at forurene glasoverfladen under meget saltholdige forhold. Det kunne gøre alginat-GO hydrogeler nyttige til belægninger og strukturer, der bruges i marine omgivelser, siger forskerne.

"Disse kompositmaterialer kunne bruges som en sensor i havet, der kan blive ved med at tage aflæsninger under et olieudslip, eller som antifouling-belægning, der hjælper med at holde skibsskrog rene, " sagde Wong. Den ekstra stivhed, som grafenen giver, ville gøre sådanne materialer eller belægninger langt mere holdbare end alginat alene.

Forskerne planlægger at fortsætte med at eksperimentere med det nye materiale, leder efter måder at strømline sin produktion og fortsætte med at optimere dens egenskaber.