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研究人员创造了具有潜在生物医学和环境用途的新智能材料

布朗大学的研究人员已经展示了一种使用氧化石墨烯(GO)为海藻酸盐制成的水凝胶材料添加一些骨架的方法,海藻酸盐是一种天然材料,来自海藻,目前用于各种生物医学应用。在发表在Carbon杂志上的一篇论文中,研究人员描述了一种三维印刷方法,用于制造复杂耐用的藻酸盐-GO结构,这种结构比单独使用海藻酸盐更坚硬,更耐破碎。

研究人员创造了具有潜在生物医学和环境用途的新智能材料

“使用藻酸盐水凝胶的一个限制因素是它们非常脆弱 - 它们在机械载荷或低盐溶液中往往会分崩离析,”Thomas Valentin博士说。布朗工程学院的学生领导了这项工作。“我们展示的是通过包括氧化石墨烯纳米片,我们可以使这些结构更加稳健。”

该研究表明,该材料还能够响应不同的化学处理变得更硬或更柔软,这意味着它可以用来制造能够实时对周围环境作出反应的“智能” 材料。此外,藻酸盐-GO保留了海藻酸盐排斥油的能力,使新材料成为一种坚固的防污涂料。

用于制造材料的3-D印刷方法称为立体平版印刷术。该技术使用由计算机辅助设计系统控制的紫外激光来跟踪光活性聚合物溶液表面上的图案。光导致聚合物连接在一起,从溶液中形成固体3-D结构。重复跟踪过程,直到从底部向上逐层构建整个对象。在这种情况下,聚合物溶液是使用海藻酸钠与氧化石墨烯片混合制成的,氧化石墨烯是一种碳基材料,形成一个原子厚的纳米片,比钢更强。

该技术的一个优点是藻酸钠聚合物通过离子键连接。这种粘合强度足以将材料固定在一起,但它们可以通过某些化学处理来破坏。这使材料能够动态响应外部刺激。此前,布朗的研究人员表明,这种“离子交联”可用于制造藻酸盐材料,这些材料可根据需要降解,当用化学物质处理后迅速溶解,从化学物质的内部结构中清除离子。

对于这项新研究,研究人员希望了解氧化石墨烯如何改变藻酸盐结构的机械性能。他们表明藻酸盐-GO的硬度可以是单独的藻酸盐的两倍,并且通过开裂可以抵抗失败。

“加入氧化石墨烯使藻酸盐水凝胶与氢键结合,”布朗的工程助理教授,该论文的资深作者Ian Y. Wong说。“我们认为抗裂性是由于裂缝必须绕过散布的石墨烯片,而不是能够通过均匀的藻酸盐破坏。”

额外的硬度使研究人员能够打印出具有悬垂部分的结构,而单独使用海藻酸盐是不可能的。此外,增加的僵硬度也不能阻止藻酸盐-GO也能对单独的藻酸盐等外部刺激产生反应。研究人员表明,通过将材料浸泡在去除离子的化学物质中,材料会膨胀并变得更柔软。当离子通过离子盐浴中恢复时,材料恢复了刚度。实验表明,通过改变材料的外部离子环境,可以将材料的刚度调整到500倍以上。

研究人员表示,改变其刚度的能力可以使海藻酸盐-GO在各种应用中发挥作用,包括动态细胞培养。

瓦伦丁说:“你可以想象一个场景,你可以在僵硬的环境中对活细胞进行成像,然后立即改变到更柔和的环境,看看同样的细胞可能会如何反应。” 这可能有助于研究癌细胞或免疫细胞如何通过全身的不同器官迁移。

而且由于海藻酸盐-GO保留了纯海藻酸盐强大的防油性能,新材料可以制成出色的涂层,防止油污和其他污垢在表面积聚。在一系列实验中,研究人员表明,藻酸盐-GO涂层可以防止油在高盐度条件下污染玻璃表面。研究人员说,这可能使藻酸盐-GOG水凝胶对海洋环境中使用的涂料和结构有用。

“这些复合材料可以用作海洋中的传感器,可以在溢油过程中保持读数,或作为防污涂层,有助于保持船体清洁,”Wong说。由石墨烯提供的额外刚度将使这种材料或涂层比单独的藻酸盐更耐用。

研究人员计划继续尝试新材料,寻找简化生产的方法,并继续优化其性能。

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