用于制造“软机器人”部件和乐高的动态水凝胶

用于制造“软机器人”部件和乐高的动态水凝胶

布朗大学的研究人员利用一种能够动态响应环境的新型双聚合物材料,开发了一套模块化水凝胶组件,可用于各种“软机器人”和生物医学应用。

这些部件由3D打印机制成图案,能够弯曲、扭曲或粘在一起,以响应某些化学物质的处理。在发表在《聚合物化学》杂志上的一篇论文中,研究人员展示了一种能够按需启动以抓取小物体的软夹持器。他们还设计了类似乐高的水凝胶积木,可以仔细组装,然后紧密密封在一起,形成定制的微流体装置——“芯片实验室”系统,用于药物筛选、细胞培养和其他应用。

研究人员说,这种新材料功能性的关键在于它的双聚合物组成。

“从本质上讲,一种聚合物提供了结构完整性,而另一种聚合物则使这些动态行为如弯曲或自粘,”托马斯·瓦伦丁说,他是布朗工程学院(Brown’s School of Engineering)最近毕业的博士生,也是该论文的主要作者。“因此,把这两个部分放在一起,就形成了一种比各部分总和还要大的材料。”

当水凝胶中的聚合物链相互连接时,水凝胶就会固化,这一过程称为交联。将交联聚合物结合在一起的键有两种:共价键和离子键。共价键很强,但不可逆。一旦两条链以共价键连接,断链比断键更容易。另一方面,离子键没有那么强,但它们可以被逆转。加入离子(带净正电荷或负电荷的原子或分子)会导致键的形成。去除离子会导致键断裂。

对于这种新材料,研究人员结合了一种共价交联的聚合物,称为PEGDA,和一种离子交联的聚合物,称为PAA。Pegda强大的共价键将材料结合在一起,而Paa的离子键使其具有响应性。把这种材料放在富含离子的环境中会导致多环芳烃交联,这意味着它变得更加坚硬和收缩。把这些离子带走,随着离子键的断裂,材料就会软化和膨胀。同样的工艺也能使材料在需要时自粘。把两个分开的部分放在一起,加入一些离子,然后把它们紧紧地连在一起。

延时图像显示软夹持器的启动。

这种强度和动态行为的结合使研究人员能够制造出他们的软夹持器。他们在每个抓手的“手指”上打上图案,一边是纯的Pegda,另一边是Pegda-PAA混合物。离子的加入使pegda-paa侧收缩和加强,这将两个钳子手指拉在一起。研究人员表明,这种装置的强度足以吊起重约1克的小物体,并使其免受重力的影响。

“人们对能够改变形状并自动适应不同环境的材料非常感兴趣,”该论文的作者、工程助理教授伊恩·Y·王(IanY.Wong)说。“因此,我们在这里展示了一种材料,这种材料可以根据外部刺激进行自我调整和重组。”

但研究人员说,潜在的更直接的应用是微流体。

水凝胶是一种非常有吸引力的微流体装置材料,尤其是用于生物医学测试的材料。它们像人体组织一样柔软柔韧,一般无毒。问题是,在微流体中,水凝胶往往很难形成复杂的通道和腔。

但这种新材料——以及乐高积木的概念——提供了一种潜在的解决方案。3D打印过程允许将复杂的微流体结构合并到每个块中。然后可以使用类似于真正乐高积木的插座配置来组装这些积木。在组装好的块体中加入离子可实现防水密封。

以微小流体通道为图案的乐高型水凝胶积木可以组装成复杂的微流体装置,然后紧密地密封在一起。

“模块化乐高积木有趣的是,我们可以为微流体设备创建一个预制工具箱,”瓦伦丁说。“您手头上有各种具有不同微流体结构的预设零件,然后您只需抓住您需要的零件,即可定制微流体电路。然后你们一起治愈他们,就可以开始了。”

研究人员说,在使用前长时间存放这些积木并不是问题。

该论文的合著者、布朗大学本科生埃里克·杜布瓦(EricDubois)说:“我们为这项研究测试的一些样本有三到四个月大。”“因此,我们认为这些产品可以长期使用。”

研究人员说,他们将继续研究这种材料,可能会调整聚合物的性能,以获得更高的耐用性和功能性。

论文的其他作者是凯瑟琳·马奇尼基、达纳杰·巴斯卡和弗朗西斯·崔。这项工作得到了美国教育部(U.S.Department of Education)在纳米技术应用和影响方面的Gaann培训补助金(P200A150037)和布朗大学(Brown University)的支持,并获得了凯伦·T·罗默(Karen T.Romer)本科研究与教学奖(UTRA)。

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