Onderzoekers van Princeton hebben een nieuw type hydrogel ontwikkeld dat recyclebaar is, maar toch sterk en stabiel genoeg is voor praktisch gebruik (en hergebruik).

Als flexibele netwerken van polymeerketens die doordrenkt zijn met water, bezitten hydrogels uitstekende eigenschappen, waaronder zachtheid, elasticiteit en biocompatibiliteit. Dienovereenkomstig hebben de zachte materialen al wijdverspreide toepassing gevonden als contactlenzen en wondverbanden. Hydrogels zijn ook veelbelovend voor onder meer medicijnafgiftesystemen, de landbouw en voedselverpakkingen.

Helaas vormen conventionele hydrogels problemen met de milieuvervuiling omdat ze niet effectief kunnen worden gerecycled of opnieuw verwerkt. Hydrogels worden ook afgebroken door langdurig gebruik. De onderzoekers zeiden dat deze beperkingen voortkomen uit de structuur van het materiaal.

Conventionele hydrogels zijn afhankelijk van chemische bindingen vanwege hun stevigheid en het vermogen om water en andere oplosmiddelen op te nemen. Op chemisch niveau zijn deze bindingen verknoopt, wat betekent dat er bindingen ontstaan ​​tussen verschillende polymeermoleculen in de hydrogel. Deze verknoping, kenmerkend voor harsen die uitharding of rubbervulkanisatie ondergaan, geeft hydrogels flexibiliteit en sterkte. Maar het maakt het ook uiterst moeilijk om ze in componenten te scheiden voor recycling.

De hoofdauteur van het onderzoek, Xiaohui Xu, een postdoctoraal onderzoeker, werkte eerder met hydrogels voor gebruik bij waterzuivering en vroeg zich af of ze een ecologisch duurzamere hydrogel kon creëren. Xu en haar collega's kozen voor een nieuwe benadering bij het bouwen van hydrogels. In plaats van te vertrouwen op chemische bindingen om verschillende polymeren met elkaar te verbinden, besloten de onderzoekers gebruik te maken van fasescheiding, een bekend fenomeen waarbij gemengde vloeistoffen, zoals olie en water, zich in componenten scheiden.

"Hydrogels bieden enorme maatschappelijke voordelen, maar hun gebrek aan duurzaamheid is een belangrijk probleem gebleken", zegt Xu, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Rodney Priestley, de Pomeroy en Betty Perry Smith hoogleraar chemische en biologische technologie aan Princeton. "In deze studie hebben we laten zien hoe het profiteren van fasescheiding kan leiden tot nieuwe soorten hydrogels die duurzaam en recyclebaar zijn en toch goede mechanische eigenschappen hebben."

De onderzoekers beschreven het proces in een onderzoek getiteld "Tough and Recycleable Phase-Separated Supramolecular Gels via a Dehydration-Hydration Cycle", gepubliceerd in JACS Au in september.

Om de nieuwe hydrogel te maken, formuleerden de onderzoekers polymeren met een complexe en variërende relatie tot water. Polymeermoleculen zijn lange ketens van kleinere moleculen (monomeren genoemd). De onderzoekers creëerden polymeren die in sommige delen van de keten waterminnend zijn en in andere delen waterafstotend. Toen ze water aan het polymeermengsel toevoegden, absorbeerden delen van de polymeren het water, terwijl andere delen het afstootten. Deze spanning gaf de hydrogel zijn structurele sterkte.

In tegenstelling tot conventionele hydrogels is de sterkte gebaseerd op fysieke kenmerken in plaats van op chemische bindingen tussen de polymeren. Het recyclen van de hydrogel in de samenstellende polymeren is dus relatief eenvoudig, net als het herhaaldelijk uitdrogen en rehydrateren van het materiaal.

Bovendien, zei Xu, stelt het proces ingenieurs in staat de kenmerken van een hydrogel aan te passen door de componenten van de polymeren aan te passen. Het onderzoeksteam maakte hiervan gebruik om een ​​hydrogel te creëren die in elke gewenste vorm kon worden gesneden en gegoten. Voor het onderzoek heeft Xu een octopus gemaakt.

"Xiaohui gebruikte fasescheiding als een manier om de morfologie en uiteindelijk de eigenschappen van deze hydrogelmaterialen te controleren", zegt Priestley, senior auteur van het artikel en decaan van de Graduate School in Princeton. "Dit werk demonstreert een milieuvriendelijke aanpak voor het maken van stevige en herbruikbare hydrogels."

De Princeton-onderzoekers hebben de nieuwe hydrogel op de proef gesteld en de stabiliteit ervan getest in extreem zure en alkalische omstandigheden en in lucht en water. Over het algemeen hield de hydrogel stand en presteerde zoals verwacht.

Met aanvullende testen en ontwikkeling zou het nieuwe materiaal bestaande en opkomende toepassingen voor hydrogels – zoals kunstmatige spieren en zachte robots voor veilige bediening rond mensen – duurzamer en milieuvriendelijker kunnen maken.

"Onze algemene aanpak voor recycleerbare hydrogels zou kunnen helpen hun toepassingen op allerlei gebieden uit te breiden", aldus Xu. "De voordelen van hydrogels kunnen nu beter worden gerealiseerd zonder de milieukosten."

Xu zei dat het onderzoeksteam op de lange termijn onderzoekt of hydrogels uiteindelijk in veel toepassingen als vervanging voor kunststoffen kunnen dienen. Als dat het geval is, kunnen geavanceerde hydrogels een recyclebare oplossing worden voor de plasticvervuiling die de oceanen bedreigt.

Meer informatie: Xiaohui Xu et al., Sterke en recyclebare fasegescheiden supramoleculaire gels via een dehydratatie-hydratatiecyclus, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00326

Aangeboden door Princeton University