Brown University-forskare har visat ett sätt att använda grafenoxid (GO) för att lägga till lite ryggrad till hydrogelmaterial gjorda av alginat, ett naturligt material som härrör från tång som för närvarande används i en mängd olika biomedicinska tillämpningar. I en artikel publicerad i tidskriften Kol , forskarna beskriver en 3D-utskriftsmetod för att göra intrikata och hållbara alginat-GO-strukturer som är mycket styvare och mer frakturbeständiga än alginat enbart.

"En begränsande faktor vid användningen av alginathydrogeler är att de är mycket ömtåliga - de tenderar att falla isär under mekanisk belastning eller i låga saltlösningar, sa Thomas Valentin, en Ph.D. student vid Browns School of Engineering som ledde arbetet. "Vad vi visade är genom att inkludera grafenoxid nanoark, vi kan göra dessa strukturer mycket mer robusta."

Materialet kan också bli styvare eller mjukare som svar på olika kemiska behandlingar, vilket innebär att det kan användas för att göra "smarta" material som kan reagera på sin omgivning i realtid, visar forskningen. Dessutom, alginate-GO behåller alginatets förmåga att stöta bort oljor, ger det nya materialet potential som en robust bottenfärg.

3D-utskriftsmetoden som används för att tillverka materialen kallas stereolitografi. Tekniken använder en ultraviolett laser som kontrolleras av ett datorstödt designsystem för att spåra mönster över ytan av en fotoaktiv polymerlösning. Ljuset får polymererna att länka samman, bildar solida 3D-strukturer från lösningen. Spårningsprocessen upprepas tills ett helt objekt byggs lager-för-lager nerifrån och upp. I detta fall gjordes polymerlösningen med natriumalginat blandat med ark av grafenoxid, ett kolbaserat material som bildar en atoms tjocka nanoskivor som är starkare pund för pund än stål.

En fördel med tekniken är att natriumalginatpolymererna länkar genom jonbindningar. Bindningarna är tillräckligt starka för att hålla ihop materialet, men de kan brytas av vissa kemiska behandlingar. Det ger materialet förmågan att reagera dynamiskt på yttre stimuli. Tidigare, Brown-forskarna visade att denna "joniska tvärbindning" kan användas för att skapa alginatmaterial som bryts ned vid behov, löser sig snabbt när den behandlas med en kemikalie som sveper bort joner från materialets inre struktur.

För denna nya studie, forskarna ville se hur grafenoxid kan förändra de mekaniska egenskaperna hos alginatstrukturer. De visade att alginat-GO kunde göras dubbelt så styvt som enbart alginat, och mycket mer motståndskraftig mot fel genom sprickbildning.

"Tillsatsen av grafenoxid stabiliserar alginathydrogelen med vätebindning, " sa Ian Y. Wong, en biträdande professor i teknik vid Brown och tidningens senior författare. "Vi tror att brottmotståndet beror på att sprickor måste omväga runt de insprängda grafenarken snarare än att kunna gå sönder rätt fast i homogent alginat."

Den extra styvheten gjorde det möjligt för forskarna att skriva ut strukturer som hade överhängande delar, vilket skulle ha varit omöjligt med enbart alginat. Dessutom, den ökade styvheten hindrade inte alginat-GO från att också svara på externa stimuli som enbart alginat kan. Forskarna visade att genom att bada materialen i en kemikalie som tar bort dess joner, materialen svällde upp och blev mycket mjukare. Materialen återfick sin styvhet när joner återställdes genom att bada i joniska salter. Experiment visade att materialens styvhet kunde justeras över en faktor 500 genom att variera deras yttre joniska miljö.

Den förmågan att ändra sin styvhet kan göra alginat-GO användbar i en mängd olika applikationer, forskarna säger, inklusive dynamiska cellkulturer.

"Du kan föreställa dig ett scenario där du kan avbilda levande celler i en stel miljö och sedan omedelbart byta till en mjukare miljö för att se hur samma celler kan reagera, ", sa Valentin. Det kan vara användbart för att studera hur cancerceller eller immunceller migrerar genom olika organ i hela kroppen.

Och eftersom alginat-GO behåller de kraftfulla oljeavvisande egenskaperna hos rent alginat, det nya materialet kan vara en utmärkt beläggning för att förhindra att olja och annan smuts ansamlas på ytor. I en serie experiment, forskarna visade att en beläggning av alginat-GO kunde hindra olja från att smutsa ner glasytan under mycket salthaltiga förhållanden. Det kan göra alginat-GO-hydrogeler användbara för beläggningar och strukturer som används i marina miljöer, säger forskarna.

"Dessa kompositmaterial skulle kunna användas som en sensor i havet som kan fortsätta ta avläsningar under ett oljeutsläpp, eller som en antifouling-beläggning som hjälper till att hålla fartygsskrov rena, ", sa Wong. Den extra styvheten som grafenen ger skulle göra sådana material eller beläggningar mycket mer hållbara än enbart alginat.

Forskarna planerar att fortsätta experimentera med det nya materialet, letar efter sätt att effektivisera sin produktion och fortsätta att optimera sina egenskaper.