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具有潜在生物医学和环境用途的新“智能”材料

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2019-11-29浏览次数:1098

布朗大学的研究人员已经展示了一种方法,即使用氧化石墨烯(GO)(一种来自海藻的天然材料),将一些骨架添加到由海藻酸盐制成的水凝胶材料中,目前用于每种生物医学应用。在Carbon杂志发表的一篇论文中,研究人员描述了一种用于制造复杂耐用的藻酸盐-GO结构的三维印刷方法,该结构比单独的藻酸盐更难且更耐破损。

“使用藻酸盐水凝胶的一个限制因素是它们非常脆弱 - 它们在机械载荷或低盐溶液中往往会分崩离析,”Thomas Valentin博士说。布朗工程学院的学生领导了这项工作“我们通过包括氧化石墨烯纳米片表明,我们可以使这些结构更加坚固。”

该研究表明,材料也可以根据不同的化学处理变得更硬或更软,这意味着它可以用来创造“智能”材料,实时响应周围环境。此外,藻酸盐-GO保留了藻酸盐排斥油的能力,使新材料成为一种强力的防污涂料。

用于制造材料的3D打印方法称为立体平版印刷术。该技术使用由计算机辅助设计系统控制的紫外激光来跟踪光活性聚合物溶液表面上的图案。光将聚合物粘合在一起,从溶液中形成固体3-D结构。重复跟踪过程,直到从下到上逐层构建整个对象。在这种情况下,通过将藻酸钠与氧化石墨烯片混合来制备聚合物溶液,氧化石墨烯片是碳基材料,其形成比钢更强的原子厚度的纳米片。

该技术的一个优点是藻酸钠聚合物通过离子键连接。这种粘合强度足以将材料固定在一起,但它们可以通过某种化学处理来破坏。这允许材料动态响应外部刺激。此前,布朗的研究人员表明,这种“离子交联”可用于制造藻酸盐材料,这些材料可根据需要降解,在用化学品处理后迅速溶解,并从化学品的内部结构中除去离子。

对于这项新研究,研究人员希望了解氧化石墨烯如何改变藻酸盐结构的机械性能。他们表明海藻酸盐-GO的硬度可以是单独的藻酸盐的两倍,并且可以通过开裂抵抗失效。

“氧化石墨烯的加入将藻酸盐水凝胶与氢键结合起来,”布朗的工程助理教授,该论文的高级作者Ian Y. Wong说。 “我们认为,抗裂性是由于裂缝必须绕过散落的石墨烯片,而不是被均匀的藻酸盐破坏。”

额外的硬度允许研究人员用悬垂印刷结构,并且单独使用藻酸盐是不可能的。此外,增加的硬度不会阻止藻酸盐-GO与外部刺激物如单独的藻酸盐反应。研究人员已经证明,通过将材料浸入离子去除化学品中,材料会膨胀并变得更柔软。当通过在离子盐中洗涤来回收离子时,材料恢复其刚度。实验表明,通过改变材料的外部离子环境,材料的刚度可以调节到500倍以上。

研究人员表示,改变其硬度的能力使海藻酸盐-GO能够在各种应用中发挥作用,包括动态细胞培养。

瓦伦丁说:“你可以想象一个场景,你可以在刚性环境中对活细胞进行成像,然后立即改变到更柔和的环境,看看同样的细胞会如何反应。”这可能有助于研究癌细胞或免疫细胞如何通过身体的不同器官迁移。

而且由于海藻酸盐-GO保留了纯海藻酸盐的强大防油性能,因此新材料可以制成优质涂料,以防止油和其他污垢积聚在表面上。在一系列实验中,研究人员表明藻酸盐-GO涂层可防止油在高盐度条件下污染玻璃表面。研究人员表示,这可以使藻酸盐-GOG水凝胶可用于海洋环境中使用的涂料和结构。

“这些复合材料可用作海洋中的传感器,以便在漏油期间保持读数,或作为防污涂层,有助于保持船体清洁,”Wong说。石墨烯提供的额外硬度将使该材料或涂层比单独的藻酸盐更耐用。

研究人员计划继续尝试新材料并找到简化生产方法的方法,并继续优化其性能。