Hydrogeler genomgår oundvikligen uttorkning, strukturell kollaps och krympningsdeformation på grund av den oavbrutna förångningen i atmosfären och förlorar därigenom sin flexibilitet, hala och tillverkningsprecision.
Forskningen, publicerad i International Journal of Extreme Manufacturing , visar hur man tillverkar ett slags halkigt, mjukt material med hög precision där vattenmolekyler är benägna att avdunsta men ändå väl implementerade med strukturerade funktionsmaterial av hög kvalitet.
Men upptäckten kan också vara utomordentligt användbar; om du vill uppfinna något revolutionerande börjar processen ofta först med att upptäcka ett helt nytt material.
"I princip öppnar detta upp för designen och konstruktionen av en helt ny klass av mjuka material som, våta och smörjande, är lätta att forma och är resistenta mot uttorkning under atmosfäriska förhållanden", säger Xiaolong Wang, professor vid State Key Laboratory of Solid Lubrication vid Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, och seniorförfattaren till studien.
"I grund och botten föreslår det nya möjligheter för extremt betydande biosmörjningsmaterial och högprecisionsteknik," säger Desheng Liu (forskningsassistent), den första författaren till uppsatsen.
Hydrogel är ett slags mjukt material med en hydrofil tredimensionell tvärbunden nätverksstruktur, som har använts i stor utsträckning inom vävnadsteknik, sårförband, flexibla bärbara enheter, elektronisk hud och mjuka robotar på grund av deras flexibilitet, mekaniska inställning, biokompatibilitet , smörjning och så vidare.
Överlägset, de äldsta metoderna, såsom hygroskopiska salter och binära vatten-organiska blandade lösningsmedel, har införts i bulkhydrogelerna, vilket begränsar vattenavdunstning under omgivande förhållanden genom att höja entalpin för förångning av vatten. Trots förbättrad uttorkningstolerans är hydrogelerna konstruerade med dessa metoder oundvikligen benägna att förändra egenskaper som vätbarhet, smörjbarhet, mekanik och till och med hydratisering.
Detta är fördelaktigt eftersom dessa material är mer flexibla och svåra att bearbeta än traditionella hårda material, men problemet är att de inte är särskilt stabila; de kan förlora sin flexibilitet om de utsätts för luft eller om temperaturen blir för hög.
Med tanke på den biologiska strukturen hos mänsklig hud för "vattenretention", här rapporterar forskarna en ny bioinspirerad strategi som introducerar trehalos i hydrogelnätverket för att bilda trehalos-inducerade vätebindningsinteraktioner. Interaktionen mellan trehalos och vatten kan generera ytskiktet med uttorkningstolerans i atmosfären, vilket resulterar i flexibla och hala hydrogeler.
Sedan började Liu experimentera med några naturliga fuktgivande faktorer som upptäcktes för flera år sedan, men ignorerades till stor del. Han gjorde trehalos till en vattenlösning för att göra hydrogel ljuskänsliga bläck och strukturerade hydrogelmaterial och började sedan testa dess uttorkningsegenskaper. Således kan trehalos också fungera som ett effektivt vattenretentionsmedel för hydrogeler genom att introducera starka vätebindningsinteraktioner för att behålla inneboende egenskaper i atmosfären.
Till forskarnas förvåning kan införandet av trehalos i hydrogel avsevärt förbättra dess uttorkningsbeständighet, smörjprestanda, mekaniska egenskaper och tillverkningsnoggrannhet. Dessutom var det väldigt stabilt.
"De starka kovalentliknande vätebindningsinteraktionerna som bildas av mångfaldiga hydroxylgrupper på trehalosmolekylen och många polära grupper på de långa polymerkedjorna kan ge överlägsen duktilitet och uttorkningstolerant av hala hydrogel", säger Liu. Det är oerhört användbart för en hala, mjuk materialenhet som måste fungera i verkliga miljöer.
Men för forskarna var det mest slående att det mjuka materialet är vatteninnehållet.
"Genom att kombinera karfotopolymerisation 3D-utskrift och trehalosmodifierade hydrogeler kan man uppnå de olika stereoskopiska hydrogelerna med önskvärd upplösning, komplicerade geometrier och skräddarsydda mikroarkitekturer på makroskopisk nivå på grund av att övervinna den uttorkningsinducerade krympningen och kollapsdeformationen i tillverkningsprocessen," sa Wangufacturing. "Som en proof-of-concept-demonstration skapades en vaskulär fantom med hög precision av hydrogel för att imitera styrtrådsingrepp."
Resultatet är oöverträffat för ett halt hydrogelmaterial. "Det är nästan som människohud - du kan effektivt låsa in fukt för att förhindra överdriven avdunstning och därmed ha en gynnsam uttorkningstolerans", sa Wang.
Forskarna är glada eftersom denna upptäckt föreslår en fundamentalt ny designprincip för högprecisionstillverkning av hydrogelmaterial. Naturliga fuktgivande faktorer är så viktiga för hydrogelmaterial att nästan alla nya mjuka materialutvecklingar kommer att öppna upp nya gränser för additiv tillverkningsteknik, förklarade de.
Man tror att den föreslagna metoden banar väg för tillverkning av storskaliga strukturella hydrogeler med uttorkningstolerans i atmosfären, vilket breddar deras tillämpningar i komplexa miljöer.
Teamet undersöker också de olika strukturerna och funktionerna som hydrogelmaterial kan producera genom att utnyttja VAT-fotopolymerisation 3D-utskrift. "Vi tror att vi föreslog en bekväm och mångsidig strategi för att tillverka storskaliga hydrogeler med sofistikerade arkitekturer i en långsiktig process", säger Wang.
Mer information: Desheng Liu et al, Hal hydrogel med uttorkningstolerant "hud" för tillsatstillverkning med hög precision, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ad1730
Tillhandahålls av International Journal of Extreme Manufacturing
