Princeton-forskare har skapat en ny typ av hydrogel som är återvinningsbar, men ändå tuff och stabil nog för praktisk användning (och återanvändning).
Som flexibla nätverk av polymerkedjor genomträngda av vatten har hydrogeler utmärkta egenskaper inklusive mjukhet, elasticitet och biokompatibilitet. Följaktligen har de squishy materialen redan funnit utbredd användning som kontaktlinser och sårförband. Hydrogeler har också ett stort löfte för läkemedelstillförselsystem, jordbruk och livsmedelsförpackningar, bland andra applikationer.
Tyvärr utgör konventionella hydrogeler miljöföroreningsproblem eftersom de inte kan återvinnas eller återvinnas effektivt. Hydrogeler bryts också ned vid långvarig användning. Forskarna sa att dessa begränsningar härrör från materialens struktur.
Konventionella hydrogeler är beroende av kemiska bindningar för sin fasthet och förmåga att suga upp vatten och andra lösningsmedel. På en kemisk nivå är dessa bindningar tvärbundna, vilket innebär att bindningar bildas mellan olika polymermolekyler i hydrogelen. Denna tvärbindning, karakteristisk för hartser som genomgår härdning eller gummivulkanisering, ger hydrogeler flexibilitet och styrka. Men det gör dem också extremt svåra att separera i komponenter för återvinning.
Studiens huvudförfattare, Xiaohui Xu, en postdoktorand forskare, arbetade tidigare med hydrogeler för användning i vattenrening och undrade om hon kunde skapa en mer miljömässigt hållbar hydrogel. Xu och hennes kollegor tog ett nytt tillvägagångssätt för att bygga hydrogeler. Istället för att förlita sig på kemiska bindningar för att koppla ihop olika polymerer, bestämde forskarna sig för att utnyttja fasseparation, ett välbekant fenomen där blandade vätskor, som olja och vatten, separeras i komponenter.
"Hydrogeler erbjuder enorma samhällsnytta, men deras brist på hållbarhet har framstått som en viktig fråga", säger Xu, en postdoktoral forskare i labbet av Rodney Priestley, Pomeroy och Betty Perry Smith professor i kemi och biologisk teknik vid Princeton. "I den här studien har vi visat hur utnyttjande av fasseparation kan leda till nya typer av hydrogeler som är hållbara och återvinningsbara och fortfarande har goda mekaniska egenskaper."
Forskarna beskrev processen i en studie med titeln "Tough and Recyclable Phase-Separated Supramolecular Gels via a Dehydration–Hydration Cycle", publicerad i JACS Au i september.
För att göra den nya hydrogelen formulerade forskarna polymerer med en komplex och varierande relation till vatten. Polymermolekyler är långa kedjor av mindre molekyler (kallade monomerer). Forskarna skapade polymerer som är vattenälskande i vissa delar av kedjan och vattenavvisande i andra delar. När de tillsatte vatten till polymerblandningen absorberade delar av polymererna vattnet, medan andra delar stötte bort det. Denna spänning gav hydrogelen dess strukturella styrka.
Till skillnad från konventionella hydrogeler är styrkan baserad på fysikaliska egenskaper snarare kemiska bindningar mellan polymererna. Så det är relativt enkelt att återvinna hydrogelen till dess komponentpolymerer, liksom att upprepade gånger dehydrera och återhydratisera materialet.
Vad mer är, sade Xu, processen tillåter ingenjörer att skräddarsy egenskaperna hos en hydrogel genom att justera komponenterna i polymererna. Forskargruppen utnyttjade detta för att skapa en hydrogel som kunde skäras och formas till valfri form. För forskningen gjorde Xu en bläckfisk.
"Xiaohui använde fasseparation som ett sätt att kontrollera morfologin och i slutändan egenskaperna hos dessa hydrogelmaterial", säger Priestley, tidningens seniorförfattare och dekanus vid Graduate School i Princeton. "Detta arbete visar ett miljövänligt tillvägagångssätt för att göra sega och återanvändbara hydrogeler."
Princeton-forskarna testade den nya hydrogelen genom att testa dess stabilitet i extrema sura och alkaliska förhållanden och i luft och vatten. Över hela linjen höll hydrogelen upp och fungerade som förväntat.
Med ytterligare tester och utveckling kan det nya materialet göra befintliga och framväxande tillämpningar för hydrogeler – som konstgjorda muskler och mjuka robotar för säker drift runt människor – mer hållbara och miljövänliga.
"Vår allmänna tillvägagångssätt för återvinningsbara hydrogeler kan hjälpa till att utöka deras applikationer inom alla typer av områden," sa Xu. "Fördelarna med hydrogeler kan nu realiseras bättre utan miljökostnaderna."
Xu sa på lång sikt att forskargruppen undersöker om hydrogeler så småningom kan fungera som ett substitut för plast i många applikationer. Om så är fallet kan avancerade hydrogeler bli en återvinningsbar lösning på plastföroreningar som hotar haven.
Mer information: Xiaohui Xu et al, Tough and Recyclable Phase-Separated Supramolecular Gels via a Dehydration–Hydration Cycle, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00326
Tillhandahålls av Princeton University
