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改善高拉伸水凝胶

骑着蜗牛狂奔
2021-01-12 15:15:01

在电子和生物医学设备的开发中广泛使用水凝胶。新的突破可能会增加可用于创建水凝胶杂化材料的材料范围,从而开辟广泛的性能和用途。 

高拉伸水凝胶

水凝胶是聚合物链的亲水性3D网络,能够保留大量水并提供令人印象深刻的离子传导。

 

尽管被广泛用于各种应用中,例如在柔性电子设备和生物医学设备中,但是明显的缺点阻碍了水凝胶的效率。

 

当前的技术只能在实践上有效地将水凝胶聚合物与也由硅橡胶组成的层压板融合,这些层压板用于提供保护和加固。

 

这种局限性导致人们渴望开发一种基于水凝胶-聚合物的混合制造方法,该方法既有效又提供了更多的材料选择,以提供与硅橡胶相同的益处。这些材料在提供与硅橡胶相同的好处的同时,还可为水凝胶提供一系列其他性能。

 

包括来自我国南方科技大学机械与能源工程系的研究人员在内的一组材料科学家可能会采用这种方法。

橡胶的发展之路:在水凝胶混合材料中寻找硅橡胶的替代品

 

在《科学进展》杂志上发表的一篇论文中,研究小组讨论了一种通用的多材料3D打印方法的开发,该方法可以制造由高度可拉伸的高含水量水凝胶组成的高度复杂的混合3D结构,这些水凝胶共价键合并与多种不溶于水的可紫外线固化的聚合物,包括弹性体(具有粘度和弹性的聚合物)和刚性聚合物。

 

该团队在基于高效数字光处理(DLP)的多材料3D打印机上印刷了他们的水凝胶聚合物,这是一种3D打印机,它使用来自固定式投影仪的紫外线来逐层固化树脂。这使团队可以建立“自下而上”的方法并精确控制每一层的厚度,从而轻松开发复杂的结构。 

 

该团队能够利用一系列可商购的聚合物前体溶液,这些溶液是基于甲基丙烯酸酯的单体,交联剂和具有非水溶性光引发剂的低聚物,这些分子在暴露于自由基时会产生反应性物种,例如自由基,阳离子或阴离子紫外线。

 

在水凝胶与弹性体相遇的界面处,研究小组发现形成了牢固的共价键。压缩所得材料表明,在这些层之间开始发生任何剥离之前,它可以承受50%的变形。 

 

将硬质聚合物添加到混合物中不会削弱共价键,因为水凝胶会与两种材料牢固地键合。结果是泡沫可以承受高度的拉伸,而三种材料之间不会发生粘结。 

 

材料科学家进行的剥离测试(通常用于测试材料的粘合性能)表明,破坏其水凝胶-聚合物界面所需的能量大于破坏水凝胶本身所需的能量。这意味着非常坚韧,柔软的材料。 

 

除此之外,该团队还说,可以通过改变PEGDA /丙烯酰胺的混合比(PEGDA的分子量)和水含量来调节所制造材料的机械性能和特性。 

 

正如调整材料特性的能力所暗示的那样,新型水凝胶混合动力材料在各种领域都有广泛的应用。

 

灵活的应用初具规模

材料能够承受较大程度的变形而不会剥离其层的能力意味着它可以适应各种微结构。

研究小组指出,其中之一是马蹄形微结构,可用于生物医学应用,传统上水凝胶和人体组织之间的柔韧性差异很困难。 

 

研究人员通过印刷由Vero刚性聚合物增强的AP水凝胶组成的弯月面来证明这一点。利用改变刚性微结构的能力来调整团队水凝胶杂交体的局部机械性能,可以适应多种组织。 

 

研究小组讨论的另一种医学用途是开发出可以随温度变化而扩大和收缩的心血管支架。这使得支架不仅可以加宽血管,而且可以同时将药物注入患者的系统。

 

研究人员创建的过程还可以改善离子电导率,从而使此类水凝胶在柔性电子学的发展中如此具有吸引力。通过3D打印具有晶格状微结构的水凝胶/弹性体,可以创建弹性体保护层,从而保护结构免受水蒸发。

 

在不降低水凝胶和弹性体之间的结合强度的情况下,通过包含应变传感器也可以在该领域进行改进。

该团队的突破可能会导致许多应用程序利用其多材料3D打印方法,为构建软设备和机器的新有效方法铺平道路。

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