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具有潛在生物醫學和環境用途的新“智能”材料

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-11-29瀏覽次數:1098

布朗大學的研究人員已經展示了一種方法,即使用氧化石墨烯(GO)(一種來自海藻的天然材料),將一些骨架添加到由海藻酸鹽制成的水凝膠材料中,目前用于每種生物醫學應用。在Carbon雜志發表的一篇論文中,研究人員描述了一種用于制造復雜耐用的藻酸鹽-GO結構的三維印刷方法,該結構比單獨的藻酸鹽更難且更耐破損。

“使用藻酸鹽水凝膠的一個限制因素是它們非常脆弱 - 它們在機械載荷或低鹽溶液中往往會分崩離析,”Thomas Valentin博士說。布朗工程學院的學生領導了這項工作“我們通過包括氧化石墨烯納米片表明,我們可以使這些結構更加堅固。”

該研究表明,材料也可以根據不同的化學處理變得更硬或更軟,這意味著它可以用來創造“智能”材料,實時響應周圍環境。此外,藻酸鹽-GO保留了藻酸鹽排斥油的能力,使新材料成為一種強力的防污涂料。

用于制造材料的3D打印方法稱為立體平版印刷術。該技術使用由計算機輔助設計系統控制的紫外激光來跟蹤光活性聚合物溶液表面上的圖案。光將聚合物粘合在一起,從溶液中形成固體3-D結構。重復跟蹤過程,直到從下到上逐層構建整個對象。在這種情況下,通過將藻酸鈉與氧化石墨烯片混合來制備聚合物溶液,氧化石墨烯片是碳基材料,其形成比鋼更強的原子厚度的納米片。

該技術的一個優點是藻酸鈉聚合物通過離子鍵連接。這種粘合強度足以將材料固定在一起,但它們可以通過某種化學處理來破壞。這允許材料動態響應外部刺激。此前,布朗的研究人員表明,這種“離子交聯”可用于制造藻酸鹽材料,這些材料可根據需要降解,在用化學品處理后迅速溶解,并從化學品的內部結構中除去離子。

對于這項新研究,研究人員希望了解氧化石墨烯如何改變藻酸鹽結構的機械性能。他們表明海藻酸鹽-GO的硬度可以是單獨的藻酸鹽的兩倍,并且可以通過開裂抵抗失效。

“氧化石墨烯的加入將藻酸鹽水凝膠與氫鍵結合起來,”布朗的工程助理教授,該論文的高級作者Ian Y. Wong說。 “我們認為,抗裂性是由于裂縫必須繞過散落的石墨烯片,而不是被均勻的藻酸鹽破壞。”

額外的硬度允許研究人員用懸垂印刷結構,并且單獨使用藻酸鹽是不可能的。此外,增加的硬度不會阻止藻酸鹽-GO與外部刺激物如單獨的藻酸鹽反應。研究人員已經證明,通過將材料浸入離子去除化學品中,材料會膨脹并變得更柔軟。當通過在離子鹽中洗滌來回收離子時,材料恢復其剛度。實驗表明,通過改變材料的外部離子環境,材料的剛度可以調節到500倍以上。

研究人員表示,改變其硬度的能力使海藻酸鹽-GO能夠在各種應用中發揮作用,包括動態細胞培養。

瓦倫丁說:“你可以想象一個場景,你可以在剛性環境中對活細胞進行成像,然后立即改變到更柔和的環境,看看同樣的細胞會如何反應。”這可能有助于研究癌細胞或免疫細胞如何通過身體的不同器官遷移。

而且由于海藻酸鹽-GO保留了純海藻酸鹽的強大防油性能,因此新材料可以制成優質涂料,以防止油和其他污垢積聚在表面上。在一系列實驗中,研究人員表明藻酸鹽-GO涂層可防止油在高鹽度條件下污染玻璃表面。研究人員表示,這可以使藻酸鹽-GOG水凝膠可用于海洋環境中使用的涂料和結構。

“這些復合材料可用作海洋中的傳感器,以便在漏油期間保持讀數,或作為防污涂層,有助于保持船體清潔,”Wong說。石墨烯提供的額外硬度將使該材料或涂層比單獨的藻酸鹽更耐用。

研究人員計劃繼續嘗試新材料并找到簡化生產方法的方法,并繼續優化其性能。

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