Bioinspirerade material är designade och konstruerade för att efterlikna naturens biologiska funktioner; snabb aktivering är dock en viktig men utmanande uppgift att återskapa i labbet. I en nyligen genomförd studie, Wenxin Fan och medarbetare på de tvärvetenskapliga avdelningarna för materialvetenskap, teknik, kemi, biokemi och makromolekylär vetenskap i USA och Kina, presenterade ett nytt paradigm för att designa lyhörda hydrogelark som kunde uppvisa ultrasnabb och omvänd snäppdeformation. De konstruerade hydrogelarken med dubbelgradientarkitektur för att ackumulera elastisk energi i polymererna genom att omvandla förlagrad energi för snabb omvänd knäppning och energifrisättning.

Fan et al. kontrollerade storleken och placeringen av lagrad energi i hydrogelarken för att programmera deras snäppreaktion och uppnå olika strukturer och aktiveringsbeteenden. De utvecklade därefter en teoretisk modell för att demonstrera den avgörande rollen av dubbla gradienter och förutspådde snäpprörelsen hos en mängd olika hydrogelmaterial. Den nya designprincipen kommer att ge vägledning till ingenjörsmanövreringsmaterial för tillämpningar inom vävnadsteknik, mjuk robotik och som aktiva medicinska implantat. Resultaten är nu publicerade i Vetenskapens framsteg .

Formomvandling är allestädes närvarande i levande system som köttätande växter som strategiskt fångar byten, ger en naturlig inspirationskälla för att konstruera funktionella formomvandlande material i labbet. Responsiva hydrogeler kan forma transformation under en mängd olika stimuli, med lovande applikationer redan levererade inom mjuk robotik, drogleverans, vävnadsteknik och mikrofluidik.

Forskare har använt termokänsliga polymerer som poly(N, N-dimetylaminoetylmetakrylat) (PDMAEMA) och poly(N-isopropylakrylamid) (PNIPAM) för att designa sådana formomvandlande material. Formomvandling av hydrogeler beror huvudsakligen på de olika svällningshastigheterna av hydrogeler i olika områden av materialen, där den gradvisa formutvecklingen drivs via in-plan och out-of-plan mismatch i den förändrade volymen av hydrogeler. Nuvarande ansträngningar fokuserar därför på att förbättra formkomplexiteten för att diversifiera materialens svar på yttre stimuli.

Som ett exempel, Venusflugfällans löv kan snabbt stänga och fånga insekter på en tiondels sekund, som skiljer sig från syntetiska hydrogeler som hittills endast har visat gradvis och relativt långsam formomvandling. Den extremt snabba rörelsen hos Venusflugfällan tillskrivs ackumuleringen och snabba frigörandet av energi som kan hjälpa plötsliga, än, diskontinuerlig rörelse avgörande för att utveckla ultrasnabba ställdon med breda tillämpningar inom mjuk robotik genom biomimik. Befintliga tillvägagångssätt för att uppnå denna typ av rörelse är beroende av reversibel växling mellan konkava och konvexa strukturer av bistabila polymera ark - men denna strategi tillåter endast begränsad strukturell komplexitet och aktiveringsbeteende. Som ett resultat, ett befintligt behov kvarstår att designa nya principer för snäpprörelse som kommer att sammanflätas till känsliga biomaterial.

I detta arbete, Fan et al. rapporterade en naturinspirerad design av responsiva hydrogelark som samlade elastisk energi och snabbt släppte ut energin under ultrasnabb snäppdeformation. Med hjälp av experimentella resultat och teoretiska modeller, forskarna visade att hydrogelernas snäpprörelse härrörde från deras strukturella design med dubbla gradienter (polymerkedjedensitetsgradient och tvärbindande densitetsgradient). I experimenten använde de reducerad grafenoxid (rGO)/PDMAEMA komposithydrogelskivor med dubbla gradientstrukturer som ett modellsystem och visade att arken kunde ackumulera elastisk energi och omvandla den förlagrade termiska eller kemiska energin till att snabbt knäppa.

Mekaniskt, den nya hydrogelen kunde snäppa bakåt under en sekund ( <1 s), att frigöra den lagrade elastiska energin som svar på yttre stimuli. Fan et al. kunde ställa in hastigheten, vinkel och läge för snäppning i hydrogelarket för att styra positionen och storleken på förlagrad energi. Som ett resultat, forskarna kunde programmera arken för att uppnå olika strukturer och aktiveringsbeteenden. De föreslår att utvidga de nya designprinciperna för att snäppa deformation till andra material inklusive snygga hydrogeler och elastomerer i framtida arbete.

Fan et al. konstruerade först den sammansatta rGO/PDMAEMA-komposithydrogelen under ultraviolett (UV)-inducerad friradikalgenerering av GO (grafenoxid) för att initiera polymerisation av DMAEMA (monomer) och N, N'-metylen-bis-akrylamid (MBA; tvärbindningsmedel). De bestrålade en blandning av GO, DMAEMA och MBA fyllde mellan ett förseglat utrymme med UV-ljus och visade hur ljusintensiteten längs sidan genererade en högre koncentration av fria radikaler på GO-ytan för snabbare polymerisation. Tillverkningsprocessen möjliggjorde karakteristiskt högre kedjedensitet och tvärbindningsdensitet för hydrogelen, vilket bekräftades med svepelektronmikroskopi (SEM), konfokal laserskanningsmikroskopi (CLSM), Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och Ramanspektra.

När forskarna sänkte det mönstrade hydrogelmaterialet från vatten vid 20 ⁰ C till 60 ⁰ C högre än dess volym fasövergångstemperatur, det ursprungligen platta komposithydrogelarket böjde sig uppåt. Om att byta ut den på 20 ⁰ C vattenbad, hydrogelen tog en helt annan väg för att omvandla sin form, ger upphov till ett nytt mellantillstånd. Fan et al. observerade forsen, omvänd snäpp (på mindre än 1 sekund) i samband med en kraftigt ökad böjningsvinkel från 38 grader till 540 grader, att gradvis rulla ut och bli en platt struktur som tidigare, på cirka 60 minuter. Forskarna härledde den omvända knäppningen av hydrogelark som en ny mekanism för energiomvandling och delade upp processen i tre steg.

(1) Omvandling av en del av den förlagrade termiska/kemiska effektiva energin (E*) till kumulativ elastisk energi under utrullning av rullad plåt.

(2) Omedelbar frigöring av ackumulerad elastisk energi (E') i form av knäppning, och

(3) Gradvis frigöring av viloenergin (E") för att krulla ytterligare efter knäppning.

Temperaturvariationer i experimentuppställningen påverkade deformationshastigheten för hydrogelarket. Som ett resultat, Fan et al. kunde kvantitativt programmera snäpphastigheten för arken genom att justera storleken på dess förlagrade energi med varierande temperaturer, för att stimulera gelen.

Som ett bevis på principen, de visade de självreglerande aktiveringsförmågan, där den förstimulerade hydrogelarksnäppmekanismen utlöste viktlyft i vattentemperaturer som varierade från 20 ⁰ C till 60 ⁰ C. Den maximala vikten som kunde lyftas ökade med växlande temperatur. Forskarna gav ett koncept för att kontrollera energilagring och frisättning i hydrogeler, möjliggör intelligent materialdesign med programmerbar rörelse ingjutad med förmågor för massidentifiering och effektreglering.

På grund av den svaga polyelektrolytkaraktären hos PDMAEMA, Fan et al. visade också att snäpprörelsen kunde regleras genom att stimulera gelens pH genom jonstyrka (IS) variation. Som med temperaturstimulering, hydrogelarken visade liknande mekanistiskt beteende, under ett brett spektrum av IS-förhållanden. De nya materialen byggdes därför med mångsidighet för att överträffa de befintliga begränsningarna för snäva driftsförhållanden inom materialteknik.

Forskarna visade också att de sammansatta hydrogelerna var känsliga för nära-infrarött (NIR) ljus på grund av fototermiska effekter av beståndsdelen rGO. De demonstrerade programmerbar vikning av gelarket till en kub via kontrollerad ljusexponering och energilagring i arket som ett exempel, med stor potential inom biomedicin för minimalt invasiva kirurgiska ingrepp och inom mjuk robotik. Forskarna kvantifierade sedan snäppningsprocessen för att fastställa ett allmänt kriterium för invers snäppning och krediterade den karakteristiska naturen till hydrogelarkets dubbelgradientstruktur. Forskarna verifierade det allmänna kriteriet om invers snäppning genom att jämföra deformationsbeteendet hos tvåskiktiga PNIPAM-hydrogelark med dubbla gradienter och de med enbart tvärbindningsdensitet. De fann att PNIPAM-arken med dubbla gradienter uppvisade omvända snäpprörelser, medan alla hydrogeler med enkel gradient endast visade konventionell enkel böjning som svar på termisk stimulering.

På det här sättet, forskarna visade en allmän princip för att designa hydrogeler med hjälp av energiomvandlingsförmågan för att utlösa programmerbar snäppdeformation. De kontrollerade storleken och platsen för energiförlagring i hydrogelerna för att programmera omvänd snapping och uppnå olika aktivering och strukturer. Fan et al. krediterade den energitransformationsinducerade snäppningen till dubbelgradientstrukturen (innehållande en polymerkedjedensitetsgradient och tvärbindande densitetsgradient). De föreslog slutligen en teoretisk modell för att tolka och förutsäga brytningen av hydrogeler, vilket överensstämde med de experimentella observationerna.

Hydrogelen med dubbla gradienter kan fungera direkt som en självgående, intelligent ställdon med förmågan att identifiera vikter och kontrollera kraften under konstant stimuli. Forskningen kommer att ge nya insikter för att snabbt aktivera olika material tillsammans med praktisk vägledning i design och utveckling av autonoma ställdon, mjuk robotik och aktiva medicinska implantat i framtiden.

© 2019 Science X Network