3D打印動態水凝膠用于制造“軟機器人”組件
發表時間：2019年04月15日瀏覽量：
來源： 微迷網
據了解，朗大學的研究人員使用一種能夠動態響應環境的新型雙聚合物材料開發出一套模塊化水凝膠組件，可用于各種“軟機器人”和生物醫學應用。由3D打印機圖案化的組件能夠響應于用某些化學品處理而彎曲，扭曲或粘在一起。對于發表在“高分子化學”雜志上的一篇論文，研究人員展示了一種柔軟的抓手，能夠根據需要啟動拾取小物體。他們還設計了類似LEGO的水凝膠構建塊，可以仔細組裝，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，細胞培養和其他應用的“芯片實驗室”系統。
據了解，朗大學的研究人員使用一種能夠動態響應環境的新型雙聚合物材料開發出一套模塊化水凝膠組件，可用于各種“軟機器人”和生物醫學應用。由3D打印機圖案化的組件能夠響應于用某些化學品處理而彎曲，扭曲或粘在一起。對于發表在“高分子化學”雜志上的一篇論文，研究人員展示了一種柔軟的抓手，能夠根據需要啟動拾取小物體。他們還設計了類似LEGO的水凝膠構建塊，可以仔細組裝，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，細胞培養和其他應用的“芯片實驗室”系統。
研究人員表示，新材料功能的關鍵在于其雙聚合物成分。
“基本上，一種聚合物提供結構完整性，而另一種聚合物能夠實現這些動態行為，如彎曲或自粘合，”最近畢業的博士Thomas Odin說。布朗工程學院的學生和該論文的第一作者。“所以將兩者結合在一起會產生的材料大于其各部分的總和。”
當水凝膠中的聚合物鏈彼此拴系時，水凝膠凝固，這一過程稱為交聯。有兩種類型的鍵將交聯聚合物保持在一起：共價和離子。共價債券相當強勁，但不可逆轉。一旦兩條鏈共價連接，斷裂鏈就比破壞鍵更容易。另一方面，離子鍵不是那么強，但它們可以逆轉。添加離子(具有凈正電荷或負電荷的原子或分子)將導致形成鍵。去除離子將導致鍵分離。
對于這種新材料，研究人員將一種共價交聯的聚合物(稱為PEGDA)與一種離子交聯的聚合物(稱為PAA)結合在一起。PEGDA的強共價鍵將材料結合在一起，而PAA的離子鍵使其具有響應性。將材料置于富含離子的環境中會導致PAA交聯，這意味著它變得更加堅硬并且收縮。將這些離子帶走，當離子鍵斷裂時，材料會軟化并膨脹。相同的方法還使材料在需要時能夠自粘。將兩個單獨的部件放在一起，添加一些離子，并將這些部件緊密地連接在一起
強度和動態行為的結合使研究人員能夠制作出柔軟的抓手。他們將每個抓手的“手指”圖案化為一面具有純PEGDA，另一面具有PEGDA-PAA混合物。添加離子導致PEGDA-PAA側收縮和強化，這將兩個抓手拉到一起。研究人員表明，這種設置非常強大，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不同環境的材料很感興趣，”工程助理教授兼論文的通訊作者Ian Y. Wong說。“因此，我們在這里展示了一種可以彎曲并重新配置自身以響應外部刺激的材料。”
但研究人員說，可能更直接的應用是微流體技術。
水凝膠是微流體裝置的有吸引力的材料，尤其是用于生物醫學測試的那些。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雜通道和腔室進行圖案化。
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打印過程允許將復雜的微流體結構合并到每個塊中。然后可以使用與真實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，因為我們可以為微流體裝置創建一個預制工具箱，”Valentin說。“你手邊有各種不同的微流體結構的預設部件，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，它已經準備好了。”
研究人員說，在使用前長時間存放這些塊似乎不是問題。
“我們為這項研究測試的一些樣本是三到四個月，”布朗大學本科學生和論文的共同作者Eric DuBois說。“所以我們認為這些可以在很長一段時間內保持可用。”
研究人員表示他們將繼續使用這種材料，可能會調整聚合物的性質，以獲得更高的耐用性和功能性。
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“基本上，一種聚合物提供結構完整性，而另一種聚合物能夠實現這些動態行為，如彎曲或自粘合，”最近畢業的博士Thomas Odin說。布朗工程學院的學生和該論文的第一作者。“所以將兩者結合在一起會產生的材料大于其各部分的總和。”
當水凝膠中的聚合物鏈彼此拴系時，水凝膠凝固，這一過程稱為交聯。有兩種類型的鍵將交聯聚合物保持在一起：共價和離子。共價債券相當強勁，但不可逆轉。一旦兩條鏈共價連接，斷裂鏈就比破壞鍵更容易。另一方面，離子鍵不是那么強，但它們可以逆轉。添加離子(具有凈正電荷或負電荷的原子或分子)將導致形成鍵。去除離子將導致鍵分離。
對于這種新材料，研究人員將一種共價交聯的聚合物(稱為PEGDA)與一種離子交聯的聚合物(稱為PAA)結合在一起。PEGDA的強共價鍵將材料結合在一起，而PAA的離子鍵使其具有響應性。將材料置于富含離子的環境中會導致PAA交聯，這意味著它變得更加堅硬并且收縮。將這些離子帶走，當離子鍵斷裂時，材料會軟化并膨脹。相同的方法還使材料在需要時能夠自粘。將兩個單獨的部件放在一起，添加一些離子，并將這些部件緊密地連接在一起
強度和動態行為的結合使研究人員能夠制作出柔軟的抓手。他們將每個抓手的“手指”圖案化為一面具有純PEGDA，另一面具有PEGDA-PAA混合物。添加離子導致PEGDA-PAA側收縮和強化，這將兩個抓手拉到一起。研究人員表明，這種設置非常強大，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不同環境的材料很感興趣，”工程助理教授兼論文的通訊作者Ian Y. Wong說。“因此，我們在這里展示了一種可以彎曲并重新配置自身以響應外部刺激的材料。”
但研究人員說，可能更直接的應用是微流體技術。
水凝膠是微流體裝置的有吸引力的材料，尤其是用于生物醫學測試的那些。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雜通道和腔室進行圖案化。
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打印過程允許將復雜的微流體結構合并到每個塊中。然后可以使用與真實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，因為我們可以為微流體裝置創建一個預制工具箱，”Valentin說。“你手邊有各種不同的微流體結構的預設部件，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，它已經準備好了。”
研究人員說，在使用前長時間存放這些塊似乎不是問題。
“我們為這項研究測試的一些樣本是三到四個月，”布朗大學本科學生和論文的共同作者Eric DuBois說。“所以我們認為這些可以在很長一段時間內保持可用。”
研究人員表示他們將繼續使用這種材料，可能會調整聚合物的性質，以獲得更高的耐用性和功能性。
來源： 微迷網
