I en ny rapport i NPG Asia material , Chisa Norioka och ett team av forskare inom kemi och materialteknik i Japan, detaljerade en universell metod för att enkelt förbereda sega och töjbara hydrogeler utan speciella strukturer eller komplikationer. De anpassade polymerisationsförhållandena för att bilda nätverk med många polymerkedjeförvecklingar, för att uppnå energiavledning genom de resulterande materialen. Teamet förberedde de sega och töjbara hydrogelerna via friradikalpolymerisation med en hög monomerkoncentration och lågt tvärbindningsinnehåll för att optimera balansen mellan fysiska och kemiska tvärbindningar via intrasslingar och kovalenta bindningar. Forskargruppen använde polymerkedjeförvecklingar för energiavledning för att övervinna gränserna för låg mekanisk prestanda för användning i ett brett spektrum av hydrogeler.

Hydrogeler

Hydrogeler består av fysiskt och kemiskt tvärbundna polymernätverk och en hög vattenhalt med en låg elasticitetsmodul för stimulusreagerande beteende, ungefär som biologiska vävnader. Som ett resultat, hydrogeler har potentiella tillämpningar som biomaterial för läkemedelsleveranssystem, biosensorer och cellkultur. Även om hydrogeler är mjuka och flexibla, de är också svaga och spröda, där standardhydrogeler kan brytas på grund av stor deformation. För att övervinna de låga mekaniska egenskaperna hos hydrogeler, forskare hade utformat nätverksstrukturer. Hydrogeler uppvisar viskoelastiskt beteende för både viskösa och elastiska egenskaper, att designa tuffa hydrogeler därför Norioka et al. fokuserat på de viskösa egenskaperna. Viskositeten gjorde det möjligt för den applicerade spänningen att slappna av genom energiförlust. Forskarna producerade hydrogelnätverk med hög polymerkedjedensitet, med hög molekylvikt mellan tvärbindare för effektiv energiavledning genom hela materialet. Under experimenten tillsatte de höga monomerkoncentrationer och lågt innehåll av tvärbindare för att bilda hydrogelnätverk med många förvecklingar för att producera de fysiska tvärbindningarna. För att visa strategin, Norioka et al. använde polyakrylamid (PAAm) och poly(2-metakryloyloxietylfosforylkolin) (PMPC) som huvudkedjorna i hydrogelerna.

Teamet testade de mekaniska egenskaperna hos PAAm-hydrogelerna som bereddes med hjälp av kompressions- och dragtester. De noterade de inhomogena PAAm-hydrogelerna som bildades under polymerisationsförhållanden, innehållande en hög monomerkoncentration och låg tvärbindningshalt för att vara segare än de med en homogen nätverksstruktur. Liknande, svällda PAAm-hydrogeler med hög monomerkoncentration och lågt tvärbindningsinnehåll visade också hög mekanisk seghet och hög töjbarhet. Använda spännings-töjningskurvor under dragprov, Norioka et al. undersökte mekanismerna genom vilka hydrogelerna kunde bli sega och töjbara. Teamet noterade att PAAm-hydrogelerna framställda med ett tvärbindningsinnehåll på mer än 0,1 molprocent har en mycket lägre seghet än de som framställts med en tvärbindningshalt på mindre än 0,1 molprocent. De bestämde den experimentella tvärbindningsdensiteten för hydrogeler från deras elasticitetsmodul, resultaten visade hur sammantrasslingen av polymerkedjor bidrog till PAAm-hydrogelens höga seghet med en monomerkoncentration på 5,0 mol per liter och en tvärbindningshalt på 0,005 molprocent.

Den mångsidiga experimentella strategin

Norioka et al. använde materialets viskösa egenskaper för att slappna av den applicerade stressen via energiavledning. Det minskade innehållet av tvärbindare ökade viskositetens bidrag till hydrogelernas mekaniska egenskaper. Teamet anpassade villkoren för nätverksförberedelser i närvaro av många förvecklingar, för att utveckla sega och töjbara hydrogeler. De utförde sedan ytterligare arbete med dynamisk mekanisk analys och homogenitet för att undersöka mekanismen i detalj. För att visa strategins mångsidighet, Norioka et al. använde 2-(metakryloyloxi)etylfosforylkolin (MPC), en biokompatibel zwitterjonisk polymer som används inom biomedicin för att framställa hydrogeler. Även om materialet har många potentiella tillämpningar vid bildandet av kontaktlinser, konstgjorda leder och andra biomaterial, de är missgynnade på grund av låg mekanisk hållfasthet. Forskarna sampolymeriserade MPC och akrylamider, för att framställa poly(2-metakryloyloxietylfosforylkolin) (PMPC), baserat på en rad monomerkoncentrationer och tvärbindningsinnehåll. PMPC-hydrogelerna med en tvärbindningshalt på mindre än 0,1 molprocent bröts inte vid upp till 95 procent töjning och 6-MPa-spänning; teamet kunde inte skära materialet med en kniv. Utöver det, PMPC-hydrogelerna med många förvecklingar uppvisade den högsta brotttöjningen på grund av stora förlängningar. Preparat med hög monomerkoncentration och låg tvärbindningshalt var därför en universell metod för att framställa sega och töjbara hydrogeler. Den resulterande materialkonstruktionen innehöll många fysiska tvärbindningar baserade på polymerkedjeförvecklingar för energiavledning. Teamet kunde således enkelt förbereda sega och töjbara hydrogeler genom att optimera beredningsförhållandena för att bilda många polymerkedjeförvecklingar utan att använda komplexa metoder.

Syn

På det här sättet, Chisa Norioka och kollegor introducerade en metod för att justera polymerisationsförhållandena utan att införa en speciell struktur eller med komplicerade metoder. Teamet optimerade det resulterande materialet med en hög monomerkoncentration och lågt tvärbindningsinnehåll. Strategin är tillämpbar för att framställa sega och töjbara hydrogeler med användning av en mängd olika polymerer. Arbetet kommer att leda till många praktiska tillämpningar inom biomedicin och bioteknik.

© 2021 Science X Network