3D打印動態(tài)水凝膠用于制造“軟機(jī)器人”組件

來源： 微迷網(wǎng)

據(jù)了解，朗大學(xué)的研究人員使用一種能夠動態(tài)響應(yīng)環(huán)境的新型雙聚合物材料開發(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)這些動態(tài)行為,，如彎曲或自粘合,，”最近畢業(yè)的博士Thomas Odin說。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,。

“人們對可以改變形狀并自動適應(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�,！耙虼�,，我們在這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,，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)測試的那些,。它們像人體組織一樣柔軟而有彈性，通常無毒,。問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 - 以及它所支持的樂高積木概念 - 提供了一種潛在的解決方案,。3D打印過程允許將復(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)樂高塊非常類似的套接字配置來組裝這些塊。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,�,！澳闶诌呌懈鞣N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,，在使用前長時(shí)間存放這些塊似乎不是問題。

“我們?yōu)檫@項(xiàng)研究測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,。“所以我們認(rèn)為這些可以在很長一段時(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，可能會調(diào)整聚合物的性質(zhì),，以獲得更高的耐用性和功能性,。

來源： 微迷網(wǎng)