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布朗大学开发模块化水凝胶组件 助力软机器人和生物医学应用

文章来源: 南极熊3D打印       发布时间:2019-04-15

4月15日,据了解,布朗大学的研究人员使用一种能够动态响应环境的新型双聚合物材料开发出一套模块化水凝胶组件,可用于各种“软机器人”和生物医学应用。由3D打印机图案化的组件能够响应于用某些化学品处理而弯曲,扭曲或粘在一起。对于发表在“高分子化学”杂志上的一篇论文,研究人员展示了一种柔软的抓手,能够根据需要启动拾取小物体。他们还设计了类似LEGO的水凝胶构建块,可以仔细组装,然后紧密密封在一起,形成定制的微流体装置 - 用于药物筛选,细胞培养和其他应用的“芯片实验室”系统。


研究人员表示,新材料功能的关键在于其双聚合物成分。

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“基本上,一种聚合物提供结构完整性,而另一种聚合物能够实现这些动态行为,如弯曲或自粘合,”最近毕业的博士Thomas Odin说。布朗工程学院的学生和该论文的第一作者。“所以将两者结合在一起会产生的材料大于其各部分的总和。”


当水凝胶中的聚合物链彼此拴系时,水凝胶凝固,这一过程称为交联。有两种类型的键将交联聚合物保持在一起:共价和离子。共价债券相当强劲,但不可逆转。一旦两条链共价连接,断裂链就比破坏键更容易。另一方面,离子键不是那么强,但它们可以逆转。添加离子(具有净正电荷或负电荷的原子或分子)将导致形成键。去除离子将导致键分离。


对于这种新材料,研究人员将一种共价交联的聚合物(称为PEGDA)与一种离子交联的聚合物(称为PAA)结合在一起。PEGDA的强共价键将材料结合在一起,而PAA的离子键使其具有响应性。将材料置于富含离子的环境中会导致PAA交联,这意味着它变得更加坚硬并且收缩。将这些离子带走,当离子键断裂时,材料会软化并膨胀。相同的方法还使材料在需要时能够自粘。将两个单独的部件放在一起,添加一些离子,并将这些部件紧密地连接在一起


强度和动态行为的结合使研究人员能够制作出柔软的抓手。他们将每个抓手的“手指”图案化为一面具有纯PEGDA,另一面具有PEGDA-PAA混合物。添加离子导致PEGDA-PAA侧收缩和强化,这将两个抓手拉到一起。研究人员表明,这种设置非常强大,能够提升重约一克的小物体,并能够抵抗重力。


“人们对可以改变形状并自动适应不同环境的材料很感兴趣,”工程助理教授兼论文的通讯作者Ian Y. Wong说。“因此,我们在这里展示了一种可以弯曲并重新配置自身以响应外部刺激的材料。”

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但研究人员说,可能更直接的应用是微流体技术。


水凝胶是微流体装置的有吸引力的材料,尤其是用于生物医学测试的那些。它们像人体组织一样柔软而有弹性,通常无毒。问题在于水凝胶通常难以用微流体中所需的复杂通道和腔室进行图案化。


但是这种新材料 - 以及它所支持的乐高积木概念 - 提供了一种潜在的解决方案。3D打印过程允许将复杂的微流体结构合并到每个块中。然后可以使用与真实乐高块非常类似的套接字配置来组装这些块。将离子添加到组装的块中可形成防水密封。


“模块化乐高积木很有意思,因为我们可以为微流体装置创建一个预制工具箱,”Valentin说。“你手边有各种不同的微流体结构的预设部件,然后你就可以抓住制作自定义微流体电路所需的部件。然后你就可以一起治疗它们了,它已经准备好了。”


研究人员说,在使用前长时间存放这些块似乎不是问题。


“我们为这项研究测试的一些样本是三到四个月,”布朗大学本科学生和论文的共同作者Eric DuBois说。“所以我们认为这些可以在很长一段时间内保持可用。”

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研究人员表示他们将继续使用这种材料,可能会调整聚合物的性质,以获得更高的耐用性和功能性。


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