Met behulp van een nieuw type dubbel polymeermateriaal dat dynamisch kan reageren op zijn omgeving, Onderzoekers van de Brown University hebben een reeks modulaire hydrogelcomponenten ontwikkeld die nuttig kunnen zijn in een verscheidenheid aan "zachte robotachtige" en biomedische toepassingen.

De onderdelen, die zijn gemodelleerd door een 3D-printer, kunnen buigen, draaien of aan elkaar plakken als reactie op behandeling met bepaalde chemicaliën. Voor een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Polymeerchemie , de onderzoekers demonstreerden een zachte grijper die in staat is om op verzoek kleine voorwerpen op te pakken. Ze ontwierpen ook LEGO-achtige hydrogel-bouwstenen die zorgvuldig kunnen worden geassembleerd en vervolgens stevig aan elkaar kunnen worden geseald om op maat gemaakte microfluïdische apparaten te vormen - "lab-on-a-chip" -systemen die worden gebruikt voor het screenen van geneesmiddelen, celculturen en andere toepassingen.

De sleutel tot de functionaliteit van het nieuwe materiaal is de dubbele polymeersamenstelling, zeggen de onderzoekers.

"Eigenlijk, het ene polymeer zorgt voor structurele integriteit, terwijl de andere deze dynamische gedragingen mogelijk maakt, zoals buigen of zelfkleven, " zei Thomas Valentin, een onlangs afgestudeerde Ph.D. student aan Brown's School of Engineering en de hoofdauteur van de paper. "Dus door de twee samen te voegen, ontstaat een materiaal dat groter is dan de som der delen."

Hydrogels stollen wanneer de polymeerstrengen erin aan elkaar worden vastgemaakt, een proces dat crosslinking wordt genoemd. Er zijn twee soorten bindingen die verknoopte polymeren bij elkaar houden:covalent en ionisch. Covalente bindingen zijn vrij sterk, maar onomkeerbaar. Zodra twee strengen covalent zijn gekoppeld, het is gemakkelijker om de streng te verbreken dan om de binding te verbreken. Ionische bindingen zijn daarentegen niet zo sterk, maar ze kunnen worden teruggedraaid. Door ionen toe te voegen (atomen of moleculen met een netto positieve of negatieve lading) zullen de bindingen ontstaan. Het verwijderen van ionen zal ervoor zorgen dat de bindingen uit elkaar vallen.

Voor dit nieuwe materiaal de onderzoekers combineerden één polymeer dat covalent is verknoopt, genaamd PEGDA, en een die ionisch verknoopt is, PAA genoemd. De sterke covalente bindingen van de PEGDA houden het materiaal bij elkaar, terwijl de ionische bindingen van de PAA het responsief maken. Door het materiaal in een ionenrijke omgeving te plaatsen, gaat de PAA verknopen, wat betekent dat het stijver wordt en samentrekt. Neem die ionen weg, en het materiaal wordt zachter en zwelt op als de ionische bindingen breken. Hetzelfde proces maakt het ook mogelijk om het materiaal desgewenst zelfklevend te maken. Leg twee afzonderlijke stukken bij elkaar, voeg wat ionen toe, en de stukken hechten stevig aan elkaar.

Die combinatie van kracht en dynamisch gedrag stelde de onderzoekers in staat hun softgripper te maken. Ze vormden elk van de "vingers" van de grijper om aan de ene kant pure PEGDA te hebben en aan de andere kant een PEGDA-PAA-mengsel. Door ionen toe te voegen, krimpt en versterkt de PEGDA-PAA-zijde, die de twee grijpvingers naar elkaar toe trok. De onderzoekers toonden aan dat de opstelling sterk genoeg was om kleine voorwerpen van ongeveer een gram op te tillen, en houd ze tegen de zwaartekracht in.

"Er is veel interesse in materialen die van vorm kunnen veranderen en zich automatisch kunnen aanpassen aan verschillende omgevingen, " zei Ian Y. Wong, een assistent-professor in de techniek en de corresponderende auteur van het papier. "Dus hier demonstreren we een materiaal dat kan buigen en zichzelf opnieuw kan configureren als reactie op een externe stimulus."

Maar mogelijk is een meer directe toepassing in microfluïdica, zeggen de onderzoekers.

Hydrogels zijn een aantrekkelijk materiaal voor microfluïdische apparaten, vooral die welke worden gebruikt in biomedische tests. Ze zijn zacht en flexibel als menselijk weefsel, en over het algemeen niet giftig. Het probleem is dat hydrogels vaak moeilijk te vormen zijn met de complexe kanalen en kamers die nodig zijn in microfluïdica.

Maar dit nieuwe materiaal - en het LEGO-blokconcept dat het mogelijk maakt - biedt een mogelijke oplossing. Het 3D-printproces maakt het mogelijk om complexe microfluïdische architecturen in elk blok op te nemen. Die blokken kunnen vervolgens worden geassembleerd met behulp van een socketconfiguratie die lijkt op die van echte LEGO-blokken. Door ionen aan de geassembleerde blokken toe te voegen, ontstaat een waterdichte afdichting.

"De modulaire LEGO-blokken zijn interessant omdat we een geprefabriceerde gereedschapskist voor microfluïdische apparaten kunnen maken, Valentin zei. "Je houdt een verscheidenheid aan vooraf ingestelde onderdelen met verschillende microfluïdische architecturen bij de hand, en dan pak je gewoon degene die je nodig hebt om je aangepaste microfluïdische circuit te maken. Dan genees je ze samen en is het klaar om te gaan."

En het langdurig bewaren van de blokken voor gebruik blijkt geen probleem te zijn, zeggen de onderzoekers.

"Sommige van de monsters die we voor dit onderzoek hebben getest, waren drie of vier maanden oud, " zei Eric DuBois, een Brown undergraduate en co-auteur op het papier. "Dus we denken dat deze voor een langere periode bruikbaar kunnen blijven."

De onderzoekers zeggen dat ze zullen blijven werken met het materiaal, mogelijk de eigenschappen van de polymeren aanpassen om nog meer duurzaamheid en functionaliteit te krijgen.