Hydrogels ondergaan onvermijdelijk uitdroging, structurele ineenstorting en krimpvervorming als gevolg van de ononderbroken verdamping in de atmosfeer, waardoor ze hun flexibiliteit, gladheid en productieprecisie verliezen.

Het onderzoek, gepubliceerd in International Journal of Extreme Manufacturing , laat zien hoe je met hoge precisie een soort glad, zacht materiaal kunt vervaardigen waarin watermoleculen gevoelig zijn voor verdamping, maar nog steeds goed geïmplementeerd zijn met high-fidelity gestructureerde functionele materialen.

Maar de bevinding zou ook buitengewoon nuttig kunnen zijn; als je iets revolutionairs wilt uitvinden, begint het proces vaak eerst met het ontdekken van een geheel nieuw materiaal.

"In principe opent dit het ontwerp en de constructie van een geheel nieuwe klasse zachte materialen die, nat en smerend, gemakkelijk te vormen zijn en bestand zijn tegen uitdroging onder atmosferische omstandigheden", zegt Xiaolong Wang, professor aan het State Key Laboratory van Solid Lubrication aan het Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, en de senior auteur van het onderzoek.

"In wezen suggereert het nieuwe mogelijkheden voor uiterst belangrijke biosmeermaterialen en uiterst nauwkeurige verwerkingstechnologieën", zegt Desheng Liu (onderzoeksassistent), de eerste auteur van het artikel.

Hydrogel is een soort zacht materiaal met een hydrofiele driedimensionale verknoopte netwerkstructuur, dat uitgebreid is toegepast in weefselmanipulatie, wondverbanden, flexibele draagbare apparaten, elektronische huid en zachte robots vanwege hun flexibiliteit, mechanische afstembaarheid en biocompatibiliteit. , gladheid, enzovoort.

Verreweg de oudste benaderingen, zoals hygroscopische zouten en binaire water-organische gemengde oplosmiddelen, zijn in de bulkhydrogels geïntroduceerd, waardoor de waterverdamping onder omgevingsomstandigheden wordt beperkt door de enthalpie van de verdamping van water te verhogen. Ondanks de verbeterde uitdrogingstolerantie zijn de op deze manier vervaardigde hydrogels onvermijdelijk geneigd om eigenschappen zoals bevochtigbaarheid, gladheid, mechanica en zelfs hydratatie te veranderen.

Dit is voordelig omdat deze materialen flexibeler en moeilijker te verwerken zijn dan traditionele harde materialen, maar het probleem is dat ze niet erg stabiel zijn; ze kunnen hun flexibiliteit verliezen als ze worden blootgesteld aan lucht of als de temperatuur te hoog wordt.

Gegeven de biologische structuur van de menselijke huid voor "waterretentie", rapporteren de onderzoekers hierin een nieuwe bio-geïnspireerde strategie die trehalose in het hydrogelnetwerk introduceert om door trehalose geïnduceerde waterstofbruginteracties te vormen. De interactie tussen trehalose en water kan de oppervlaktelaag genereren met uitdrogingstolerantie in de atmosfeer, wat resulteert in flexibele en gladde hydrogels.

Toen begon Liu te experimenteren met materialen met natuurlijke vochtinbrengende factoren die jaren geleden waren ontdekt, maar grotendeels werden genegeerd. Hij maakte van trehalose een waterige oplossing om hydrogel-lichtgevoelige inkten en gestructureerde hydrogelmaterialen te maken en begon vervolgens de uitdroogeigenschappen ervan te testen. Trehalose kan dus ook fungeren als een effectief waterretentiemiddel voor hydrogels door sterke waterstofbindingsinteracties te introduceren om inherente eigenschappen in de atmosfeer te behouden.

Tot verbazing van de wetenschappers kan de introductie van trehalose in hydrogel de uitdrogingsweerstand, de smeringsprestaties, de mechanische eigenschappen en de productienauwkeurigheid aanzienlijk verbeteren. Bovendien was het zeer stabiel.

"De sterke covalent-achtige waterstofbindingsinteracties gevormd door talrijke hydroxylgroepen op het trehalosemolecuul en talrijke polaire groepen op de lange polymeerketens kunnen superieure ductiliteit en uitdrogingstolerantie voor gladde hydrogel verlenen, " zei Liu. Dat is enorm handig voor een apparaat van glad, zacht materiaal dat moet functioneren in echte omgevingen.

Maar voor de wetenschappers was het meest opvallende dat het zachte materiaal water bevat.

"Het combineren van vatfotopolymerisatie, 3D-printen en trehalose-gemodificeerde hydrogels kan de diverse stereoscopische hydrogels bereiken met de gewenste resolutie, gecompliceerde geometrieën en op maat gemaakte microarchitecturen op macroscopisch niveau als gevolg van het overwinnen van de door uitdroging veroorzaakte krimp en instortingsvervorming in het productieproces, " zei Wang. "Als proof-of-concept-demonstratie werd een zeer nauwkeurig vasculair fantoom van hydrogel gemaakt om voerdraadinterventie te imiteren."

Het resultaat is ongekend voor een glad hydrogelmateriaal. "Het lijkt bijna op de menselijke huid:je kunt effectief vocht vasthouden om overmatige verdamping te voorkomen, en zo een gunstige uitdrogingstolerantie hebben", zegt Wang.

De wetenschappers zijn enthousiast omdat deze ontdekking een fundamenteel nieuw ontwerpprincipe voorstelt voor de uiterst nauwkeurige productie van hydrogelmaterialen. Natuurlijke vochtinbrengende factoren zijn zo belangrijk voor hydrogelmaterialen dat vrijwel elke nieuwe ontwikkeling van zacht materiaal nieuwe grenzen zal openen voor additieve productietechnieken, legden ze uit.

Er wordt aangenomen dat de voorgestelde methode de weg vrijmaakt voor de productie van grootschalige structurele hydrogels met uitdrogingstolerantie in de atmosfeer, waardoor hun toepassingen in complexe omgevingen worden uitgebreid.

Het team onderzoekt ook de verschillende structuren en functies die hydrogelmaterialen kunnen produceren door gebruik te maken van 3D-printen met BTW-fotopolymerisatie. "We denken dat we een handige en veelzijdige strategie hebben voorgesteld die zich aanpast aan de productie van grootschalige hydrogels met geavanceerde architecturen in een langdurig proces", aldus Wang.

Meer informatie: Desheng Liu et al, Gladde hydrogel met uitdroogtolerante 'huid' voor zeer nauwkeurige additieve productie, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ad1730

Aangeboden door International Journal of Extreme Manufacturing