LEGO-liknande hydrogel byggstenar mönstrade med små vätskekanaler kan monteras i komplexa mikrofluidiska enheter och sedan tätas tätt ihop. Upphovsman:Wong Lab / Brown University
Med hjälp av en ny typ av dubbelpolymermaterial som kan reagera dynamiskt på sin miljö, Brown University -forskare har utvecklat en uppsättning modulära hydrogelkomponenter som kan vara användbara i en mängd olika "mjuka robotiska" och biomedicinska tillämpningar.
Komponenterna, som mönstras av en 3D-skrivare, kan böja sig, vrida eller hålla ihop som svar på behandling med vissa kemikalier. För ett papper publicerat i tidningen Polymerkemi , forskarna visade en mjuk gripare som kunde aktivera på begäran för att plocka upp små föremål. De konstruerade också LEGO-liknande hydrogelbyggstenar som kan försiktigt sättas ihop och sedan tätt förseglas för att bilda anpassade mikrofluidiska enheter-"lab-on-a-chip" -system som används för läkemedelsscreening, cellkulturer och andra tillämpningar.
Nyckeln till det nya materialets funktionalitet är dess dubbla polymersammansättning, säger forskarna.
"Väsentligen, den ena polymeren ger strukturell integritet, medan den andra möjliggör dessa dynamiska beteenden som böjning eller självhäftning, "sa Thomas Valentin, en nyutexaminerad doktorsexamen student på Brown's School of Engineering och tidningens huvudförfattare. "Så att sätta ihop de två gör ett material som är större än summan av dess delar."
Hydrogeler stelnar när polymersträngarna i dem blir bundna till varandra, en process som kallas tvärbindning. Det finns två typer av bindningar som håller samman tvärbundna polymerer:kovalenta och joniska. Kovalenta bindningar är ganska starka, men oåterkallelig. När två strängar är kopplade kovalent, det är lättare att bryta tråden än att bryta bindningen. Joniska bindningar å andra sidan är inte riktigt lika starka, men de kan vändas. Att tillsätta joner (atomer eller molekyler med en netto positiv eller negativ laddning) kommer att få bindningarna att bildas. Om du tar bort joner kommer bindningarna att falla isär.
Ett nytt hydrogelmaterial kan reagera dynamiskt på sin miljö. I närvaro av järnjoner, materialet böjer sig själv i det här fallet för att stänga en gripare som kan plocka upp små föremål Kredit:Wong Lab / Brown University
För detta nya material, forskarna kombinerade en polymer som är kovalent tvärbunden, kallad PEGDA, och en som är joniskt tvärbunden, kallas PAA. PEGDA:s starka kovalenta bindningar håller ihop materialet, medan PAA:s joniska bindningar gör den lyhörd. Att placera materialet i en jonrik miljö får PAA att tvärbinda, vilket innebär att den blir mer stel och kontrakterar. Ta bort jonerna, och materialet mjuknar och sväller när jonbindningarna bryts. Samma process gör också att materialet kan vara självhäftande när så önskas. Lägg ihop två separata bitar, tillsätt några joner, och bitarna fäster tätt ihop.
Den kombinationen av styrka och dynamiskt beteende gjorde det möjligt för forskarna att göra sin mjuka gripare. De mönstrade var och en av griparens "fingrar" för att ha ren PEGDA på ena sidan och en PEGDA-PAA-blandning på den andra. Att lägga till joner fick PEGDA-PAA-sidan att krympa och stärka, som drog ihop de två gripfingrarna. Forskarna visade att installationen var tillräckligt stark för att lyfta små föremål som väger ungefär ett gram, och hålla dem mot tyngdkraften.
"Det finns ett stort intresse för material som kan ändra form och automatiskt anpassa sig till olika miljöer, "sade Ian Y. Wong, en biträdande professor i teknik och tidningens motsvarande författare. "Så här visar vi ett material som kan böjas och omkonfigurera sig själv som svar på en yttre stimulans."
Men potentiellt är en mer omedelbar tillämpning inom mikrofluidik, säger forskarna.
Hydrogels är ett attraktivt material för mikrofluidiska enheter, särskilt de som används vid biomedicinska tester. De är mjuka och flexibla som mänsklig vävnad, och i allmänhet giftfri. Problemet är att hydrogeler ofta är svåra att mönstra med de komplexa kanaler och kamrar som behövs i mikrofluidik.
En ny typ av hydrogelmaterial som utvecklats på Brown har förmågan att reagera dynamiskt på sin omgivning-böjning, vridande och självhäftande på begäran. Ovan, forskarna visade självhäftande beteende på svansen av en 3D-tryckt hydrogelsalamander. Det självhäftande beteendet användes också för att göra hydrogelbyggstenar som passar ihop som LEGO-block. Upphovsman:Wong Lab / Brown University
Men detta nya material - och det LEGO -blockkoncept som det möjliggör - erbjuder en potentiell lösning. 3D-utskriftsprocessen gör det möjligt att integrera komplexa mikrofluidarkitekturer i varje block. Dessa block kan sedan monteras med hjälp av en uttagskonfiguration ungefär som för riktiga LEGO -block. Att tillsätta joner till de monterade blocken gör en vattentät tätning.
"De modulära LEGO -blocken är intressanta genom att vi kan skapa en prefabricerad verktygslåda för mikrofluidiska enheter, "Sa Valentin." Du behåller en mängd förinställda delar med olika mikrofluidarkitekturer till hands, och sedan tar du bara de som du behöver för att skapa din anpassade mikrofluidiska krets. Sedan läker du dem tillsammans och det är klart att gå. "
Och att förvara blocken under långa perioder före användning verkar inte vara ett problem, säger forskarna.
"Några av de prover vi testade för denna studie var tre eller fyra månader gamla, "sa Eric DuBois, en brun grundutbildning och medförfattare på tidningen. "Så vi tror att dessa kan förbli användbara under en längre period."
Forskarna säger att de kommer att fortsätta arbeta med materialet, möjligen justera egenskaperna hos polymererna för att få ännu mer hållbarhet och funktionalitet.
