Используя новый тип двойного полимерного материала, способного динамически реагировать на окружающую среду, исследователи из Университета Брауна разработали набор модульных компонентов гидрогеля, которые могут быть полезны в различных «мягких роботизированных» и биомедицинских применениях.

Компоненты, на которые нанесен рисунок с помощью трехмерного принтера, способны изгибаться, скручиваться или слипаться в ответ на обработку определенными химическими веществами. Для статьи, опубликованной в журнале Polymer Chemistry , исследователи продемонстрировали мягкий захват, способный приводить в действие по требованию, чтобы подбирать мелкие предметы. Они также разработали LEGO-подобные гидрогелевые строительные блоки, которые можно аккуратно собрать, а затем плотно скрепить вместе, чтобы сформировать индивидуальные микрофлюидные устройства — системы «лаборатория на чипе», используемые для скрининга лекарств, клеточных культур и других применений.

Исследователи утверждают, что ключом к функциональности нового материала является его двойная полимерная композиция.

«По сути, один полимер обеспечивает структурную целостность, в то время как другой обеспечивает такое динамическое поведение, как изгиб или самоадгезия», — сказал Томас Валентин, недавно получивший степень доктора философии. студент в Технической школе Брауна и ведущий автор статьи. «Таким образом, объединение этих двух компонентов делает материал больше, чем сумма его частей».

Гидрогели затвердевают, когда полимерные нити внутри них становятся привязанными друг к другу, процесс, называемый сшивкой. Существует два типа связей, которые удерживают сшитые полимеры вместе: ковалентные и ионные. Ковалентные связи довольно прочные, но необратимые. Как только две нити связаны ковалентно, легче разорвать нить, чем разорвать связь . Ионные связи, с другой стороны, не так сильны, но их можно обратить вспять. Добавление ионов (атомов или молекул с чистым положительным или отрицательным зарядом) приведет к образованию связей. Удаление ионов приведет к разрушению связей.

Для этого нового материала исследователи объединили один полимер, который ковалентно сшит, названный PEGDA, и один, который ионно сшит, названный PAA. Сильные ковалентные связи PEGDA удерживают материал вместе, в то время как ионные связи PAA делают его отзывчивым. Помещение материала в богатую ионами среду вызывает сшивание ПАА, что означает, что он становится более жестким и сжимается. Удалите эти ионы, и материал размягчается и набухает, когда разрушаются ионные связи. Тот же процесс также позволяет материалу быть самоклеящимся при желании. Положите две отдельные части вместе, добавьте несколько ионов, и части крепко соедините вместе.

Эта комбинация силы и динамического поведения позволила исследователям сделать свой мягкий захват. На каждом из пальцев «захвата» были нанесены рисунки, чтобы на одной стороне была чистая PEGDA, а на другой — смесь PEGDA-PAA. При добавлении ионов сторона PEGDA-PAA сжималась и укреплялась, что сводило два пальца захвата вместе. Исследователи показали, что установка была достаточно сильной, чтобы поднимать небольшие предметы весом около грамма и удерживать их от силы тяжести.

«Существует большой интерес к материалам, которые могут изменять свою форму и автоматически адаптироваться к различным средам» , — сказал Ян Й. Вонг, доцент кафедры машиностроения и автор статьи. «Таким образом, здесь мы демонстрируем материал, который может изгибаться и перестраиваться в ответ на внешний стимул».

Но, по словам исследователей, потенциально более непосредственное применение в микрофлюидике.

Гидрогели являются привлекательным материалом для микрофлюидных устройств, особенно тех, которые используются в биомедицинских исследованиях. Они мягкие и гибкие, как человеческие ткани, и, как правило, нетоксичны. Проблема состоит в том, что гидрогели часто трудно структурировать со сложными каналами и камерами, необходимыми для микрофлюидики.

Но этот новый материал — и концепция блока LEGO, которую он позволяет — предлагает потенциальное решение. Трехмерный процесс печати позволяет включать сложные микрожидкостные архитектуры в каждый блок. Затем эти блоки могут быть собраны с использованием конфигурации сокетов, очень похожей на конфигурацию реальных блоков LEGO. Добавление ионов к собранным блокам создает водонепроницаемое уплотнение.

«Модульные блоки LEGO интересны тем, что мы можем создать готовый набор инструментов для микрофлюидных устройств», — сказал Валентин. «У вас под рукой есть множество предустановленных деталей с различными микрожидкостными архитектурами, а затем вы просто берете те, которые вам нужны, чтобы создать свой собственный микрожидкостной контур. Затем вы исцеляете их вместе, и он готов к работе».

Исследователи утверждают, что хранение блоков в течение длительного времени перед их использованием не является проблемой.

«Некоторым из образцов, которые мы тестировали для этого исследования, было три или четыре месяца», — сказал Эрик Дюбуа, бакалавр Браун и соавтор статьи. «Таким образом, мы думаем, что они могут оставаться пригодными для использования в течение длительного периода».

Исследователи говорят, что они будут продолжать работать с материалом, потенциально изменяя свойства полимеров, чтобы получить еще большую долговечность и функциональность.