Onderzoekers van de Brown University hebben een manier laten zien om grafeenoxide (GO) te gebruiken om wat ruggengraat toe te voegen aan hydrogelmaterialen gemaakt van alginaat, een natuurlijk materiaal afgeleid van zeewier dat momenteel wordt gebruikt in verschillende biomedische toepassingen. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof , de onderzoekers beschrijven een 3D-printmethode voor het maken van ingewikkelde en duurzame alginaat-GO-structuren die veel stijver en breukvaster zijn dan alleen alginaat.

"Een beperkende factor bij het gebruik van alginaathydrogels is dat ze erg kwetsbaar zijn - ze hebben de neiging uit elkaar te vallen onder mechanische belasting of in zoutarme oplossingen, " zei Thomas Valentin, een doctoraat student in Brown's School of Engineering die het werk leidde. "Wat we hebben laten zien, is door grafeenoxide-nanobladen op te nemen, we kunnen deze constructies veel robuuster maken."

Het materiaal kan ook stijver of zachter worden als reactie op verschillende chemische behandelingen, wat betekent dat het kan worden gebruikt om 'slimme' materialen te maken die in realtime op hun omgeving kunnen reageren, blijkt uit het onderzoek. In aanvulling, alginaat-GO behoudt het vermogen van alginaat om oliën af te stoten, waardoor het nieuwe materiaal potentieel als een stevige aangroeiwerende coating.

De 3D-printmethode die wordt gebruikt om de materialen te maken, staat bekend als stereolithografie. De techniek maakt gebruik van een ultraviolette laser die wordt bestuurd door een computerondersteund ontwerpsysteem om patronen over het oppervlak van een fotoactieve polymeeroplossing te traceren. Het licht zorgt ervoor dat de polymeren aan elkaar worden gekoppeld, het vormen van solide 3D-structuren uit de oplossing. Het traceringsproces wordt herhaald totdat een heel object laag voor laag van onder naar boven is opgebouwd. In dit geval werd de polymeeroplossing gemaakt met natriumalginaat gemengd met vellen grafeenoxide, een op koolstof gebaseerd materiaal dat nanoplaten van één atoom dik vormt die pond-voor-pond sterker zijn dan staal.

Een voordeel van de techniek is dat de natriumalginaatpolymeren zich verbinden door middel van ionische bindingen. De bindingen zijn sterk genoeg om het materiaal bij elkaar te houden, maar ze kunnen worden verbroken door bepaalde chemische behandelingen. Dat geeft het materiaal het vermogen om dynamisch te reageren op externe prikkels. Eerder, de Brown-onderzoekers toonden aan dat deze "ionische crosslinking" kan worden gebruikt om alginaatmaterialen te maken die op verzoek degraderen, lost snel op bij behandeling met een chemische stof die ionen wegvaagt uit de interne structuur van het materiaal.

Voor deze nieuwe studie de onderzoekers wilden zien hoe grafeenoxide de mechanische eigenschappen van alginaatstructuren zou kunnen veranderen. Ze toonden aan dat alginaat-GO twee keer zo stijf kon worden gemaakt als alleen alginaat, en veel beter bestand tegen falen door scheuren.

"De toevoeging van grafeenoxide stabiliseert de alginaathydrogel met waterstofbinding, " zei Ian Y. Wong, een assistent-professor in de techniek bij Brown en de senior auteur van het papier. "We denken dat de breukweerstand te wijten is aan scheuren die om de tussenliggende grafeenplaten moeten omlopen in plaats van dat ze door homogeen alginaat kunnen breken."

Door de extra stijfheid konden de onderzoekers structuren printen met overhangende delen, wat onmogelijk zou zijn geweest met alleen alginaat. Bovendien, de verhoogde stijfheid verhinderde niet dat alginaat-GO ook reageerde op externe stimuli zoals alginaat alleen kan. De onderzoekers toonden aan dat door de materialen te baden in een chemische stof die de ionen verwijdert, de materialen zwollen op en werden veel zachter. De materialen kregen hun stijfheid terug toen ionen werden hersteld door te baden in ionische zouten. Experimenten toonden aan dat de stijfheid van de materialen over een factor 500 kon worden afgestemd door hun externe ionische omgeving te variëren.

Dat vermogen om zijn stijfheid te veranderen, zou alginaat-GO nuttig kunnen maken in een verscheidenheid aan toepassingen, zeggen de onderzoekers, inclusief dynamische celculturen.

"Je zou je een scenario kunnen voorstellen waarin je levende cellen in een stijve omgeving kunt afbeelden en dan onmiddellijk kunt overschakelen naar een zachtere omgeving om te zien hoe dezelfde cellen kunnen reageren, "Zei Valentin. Dat zou nuttig kunnen zijn bij het bestuderen van hoe kankercellen of immuuncellen door verschillende organen door het lichaam migreren.

En omdat alginaat-GO de krachtige olieafstotende eigenschappen van puur alginaat behoudt, het nieuwe materiaal zou een uitstekende coating kunnen vormen om te voorkomen dat olie en ander vuil zich ophopen op oppervlakken. In een reeks experimenten, de onderzoekers toonden aan dat een coating van alginaat-GO zou kunnen voorkomen dat olie het oppervlak van glas vervuilt in zeer zoute omstandigheden. Dat zou alginaat-GO-hydrogels nuttig kunnen maken voor coatings en structuren die worden gebruikt in mariene omgevingen, zeggen de onderzoekers.

"Deze composietmaterialen kunnen worden gebruikt als een sensor in de oceaan die metingen kan blijven doen tijdens een olieramp, of als aangroeiwerende coating die helpt de scheepsrompen schoon te houden, " zei Wong. De extra stijfheid die het grafeen oplevert, zou dergelijke materialen of coatings veel duurzamer maken dan alleen alginaat.

De onderzoekers zijn van plan om verder te experimenteren met het nieuwe materiaal, op zoek naar manieren om de productie te stroomlijnen en de eigenschappen ervan te blijven optimaliseren.