3D打印動(dòng)態(tài)水凝膠用于制造“軟機(jī)器人”組件

來(lái)源： 微迷網(wǎng)

據(jù)了解，朗大學(xué)的研究人員使用一種能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)環(huán)境的新型雙聚合物材料開(kāi)發(fā)出一套模塊化水凝膠組件，可用于各種“軟機(jī)器人”和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。由3D打印機(jī)圖案化的組件能夠響應(yīng)于用某些化學(xué)品處理而彎曲，扭曲或粘在一起。對(duì)于發(fā)表在“高分子化學(xué)”雜志上的一篇論文，研究人員展示了一種柔軟的抓手，能夠根據(jù)需要啟動(dòng)拾取小物體。他們還設(shè)計(jì)了類似LEGO的水凝膠構(gòu)建塊，可以仔細(xì)組裝，然后緊密密封在一起，形成定制的微流體裝置 - 用于藥物篩選，細(xì)胞培養(yǎng)和其他應(yīng)用的“芯片實(shí)驗(yàn)室”系統(tǒng)。

研究人員表示，新材料功能的關(guān)鍵在于其雙聚合物成分。

“基本上，一種聚合物提供結(jié)構(gòu)完整性，而另一種聚合物能夠?qū)崿F(xiàn)這些動(dòng)態(tài)行為，如彎曲或自粘合，”最近畢業(yè)的博士Thomas Odin說(shuō)。布朗工程學(xué)院的學(xué)生和該論文的第一作者�！八�以將兩者結(jié)合在一起會(huì)產(chǎn)生的材料大于其各部分的總和。”

當(dāng)水凝膠中的聚合物鏈彼此拴系時(shí)，水凝膠凝固，這一過(guò)程稱為交聯(lián)。有兩種類型的鍵將交聯(lián)聚合物保持在一起：共價(jià)和離子。共價(jià)債券相當(dāng)強(qiáng)勁，但不可逆轉(zhuǎn)。一旦兩條鏈共價(jià)連接，斷裂鏈就比破壞鍵更容易。另一方面，離子鍵不是那么強(qiáng)，但它們可以逆轉(zhuǎn)。添加離子(具有凈正電荷或負(fù)電荷的原子或分子)將導(dǎo)致形成鍵。去除離子將導(dǎo)致鍵分離。

對(duì)于這種新材料，研究人員將一種共價(jià)交聯(lián)的聚合物(稱為PEGDA)與一種離子交聯(lián)的聚合物(稱為PAA)結(jié)合在一起。PEGDA的強(qiáng)共價(jià)鍵將材料結(jié)合在一起，而PAA的離子鍵使其具有響應(yīng)性。將材料置于富含離子的環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致PAA交聯(lián)，這意味著它變得更加堅(jiān)硬并且收縮。將這些離子帶走，當(dāng)離子鍵斷裂時(shí)，材料會(huì)軟化并膨脹。相同的方法還使材料在需要時(shí)能夠自粘。將兩個(gè)單獨(dú)的部件放在一起，添加一些離子，并將這些部件緊密地連接在一起

強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)行為的結(jié)合使研究人員能夠制作出柔軟的抓手。他們將每個(gè)抓手的“手指”圖案化為一面具有純PEGDA，另一面具有PEGDA-PAA混合物。添加離子導(dǎo)致PEGDA-PAA側(cè)收縮和強(qiáng)化，這將兩個(gè)抓手拉到一起。研究人員表明，這種設(shè)置非常強(qiáng)大，能夠提升重約一克的小物體，并能夠抵抗重力。

“人們對(duì)可以改變形狀并自動(dòng)適應(yīng)不同環(huán)境的材料很感興趣，”工程助理教授兼論文的通訊作者Ian Y. Wong說(shuō)�！耙虼耍�我們?cè)谶@里展示了一種可以彎曲并重新配置自身以響應(yīng)外部刺激的材料。”

但研究人員說(shuō)，可能更直接的應(yīng)用是微流體技術(shù)。

水凝膠是微流體裝置的有吸引力的材料，尤其是用于生物醫(yī)學(xué)測(cè)試的那些。它們像人體組織一樣柔軟而有彈性，通常無(wú)毒。問(wèn)題在于水凝膠通常難以用微流體中所需的復(fù)雜通道和腔室進(jìn)行圖案化。

但是這種新材料 - 以及它所支持的樂(lè)高積木概念 - 提供了一種潛在的解決方案。3D打印過(guò)程允許將復(fù)雜的微流體結(jié)構(gòu)合并到每個(gè)塊中。然后可以使用與真實(shí)樂(lè)高塊非常類似的套接字配置來(lái)組裝這些塊。將離子添加到組裝的塊中可形成防水密封。

“模塊化樂(lè)高積木很有意思，因?yàn)槲覀兛梢詾槲⒘黧w裝置創(chuàng)建一個(gè)預(yù)制工具箱，”Valentin說(shuō)。“你手邊有各種不同的微流體結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)部件，然后你就可以抓住制作自定義微流體電路所需的部件。然后你就可以一起治療它們了，它已經(jīng)準(zhǔn)備好了。”

研究人員說(shuō)，在使用前長(zhǎng)時(shí)間存放這些塊似乎不是問(wèn)題。

“我們?yōu)檫@項(xiàng)研究測(cè)試的一些樣本是三到四個(gè)月，”布朗大學(xué)本科學(xué)生和論文的共同作者Eric DuBois說(shuō)�！八�以我們認(rèn)為這些可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持可用�！�

研究人員表示他們將繼續(xù)使用這種材料，可能會(huì)調(diào)整聚合物的性質(zhì)，以獲得更高的耐用性和功能性。

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