研究人员创造了具有潜在生物医学环境用途的新型“智能”材料

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研究人员创造了具有潜在生物医学,环境用途的新型“智能”材料

布朗大学的研究人员已经从海藻衍生的藻酸盐和纳米材料的氧化石墨烯中制成了一种杂化材料。用于制造这种材料的3-D打印技术可以创建复杂的结构,包括上面的结构,该结构模仿了石墨烯的原子晶格。图片来源:Wong Lab / Brow University

布朗大学的研究人员展示了一种利用氧化石墨烯(GO)向由藻酸盐制成的水凝胶材料中添加一些骨架的方法,该藻酸盐是海藻衍生的天然材料,目前已用于多种生物医学应用中。在《碳》杂志上发表的一篇论文中,研究人员描述了一种3D打印方法,该方法可以制造出比单独使用藻酸盐坚硬得多,更耐断裂的复杂藻酸盐-GO结构。


“使用藻酸盐水凝胶的一个限制因素是它们非常脆弱-在机械负载或低盐溶液中它们往往会崩塌,”博士Thomas Valentin说。布朗工程学院的学生领导了这项工作。“我们展示的是通过包含氧化石墨烯纳米片,我们可以使这些结构更坚固。”

研究表明,该材料还能够响应不同的化学处理而变得更硬或更软,这意味着它可以用于制造能够实时对周围环境做出反应的“智能” 材料。此外,藻酸盐-GO保留了藻酸盐排斥油的能力,使这种新材料具有坚固的防污涂层的潜力。

用于制作材料的3-D打印方法称为立体光刻。该技术使用受计算机辅助设计系统控制的紫外线激光在光敏聚合物溶液的整个表面上跟踪图案。光线使聚合物连接在一起,从溶液中形成固体3-D结构。重复跟踪过程,直到从下至上逐层构建整个对象。在这种情况下,聚合物溶液是使用海藻酸钠与氧化石墨烯片混合制成的。氧化石墨烯是一种碳基材料,形成的单原子厚度的纳米片比钢的磅对磅强度更高。

该技术的一个优点是藻酸钠聚合物通过离子键连接。这些键足够牢固,可以将材料固定在一起,但是可以通过某些化学处理将其断开。这使材料能够动态响应外部刺激。以前,布朗的研究人员表明,这种“离子交联”可用于制造可按需降解的藻酸盐材料,当用一种能从材料内部结构清除掉离子的化学药品进行处理时,该藻酸盐材料会迅速溶解。

对于这项新研究,研究人员希望了解氧化石墨烯如何改变藻酸盐结构的机械性能。他们表明,藻酸盐-GO的刚度可以是单独藻酸盐的两倍,并且更能抵抗开裂的破坏。

布朗大学的研究人员已经从海藻衍生的藻酸盐和纳米材料的氧化石墨烯中制成了一种杂化材料。该材料具有极强的拒油性,因此有可能用作耐用的防污涂料。

布朗的工程学助理教授,该论文的资深作者Ian Y. Wong说:“添加氧化石墨烯可以通过氢键稳定藻酸盐水凝胶。” “我们认为抗断裂性是由于裂纹必须在散布的石墨烯片周围绕行而不是能够通过均匀的藻酸盐而断裂。”


额外的刚度使研究人员能够打印出具有悬垂部分的结构,而仅使用藻酸盐是不可能做到的。而且,增加的硬度并不能像单独使用藻酸盐一样阻止藻酸盐-GO对外部刺激的反应。研究人员表明,通过将物质浸入去除离子的化学物质中,物质会膨胀并变得更加柔软。当离子通过浸入离子盐中恢复离子时,材料恢复了刚度。实验表明,通过改变外部离子环境,材料的刚度可以调整到500倍。

研究人员说,改变其刚度的能力可能使藻酸盐-GO在多种应用中有用,包括动态细胞培养。

瓦伦丁说:“您可以想象这样一种情况,您可以在一个刚性的环境中对活细胞成像,然后立即更改为一个较软的环境,以查看相同的细胞可能如何做出反应。” 这可能对研究癌细胞或免疫细胞如何通过全身的不同器官迁移有帮助。

而且由于藻酸盐-GO保留了纯藻酸盐的强大拒油性能,因此这种新材料可以制成出色的涂料,以防止油和其他污垢在表面上堆积。在一系列实验中,研究人员表明,在高盐度条件下,藻酸盐-GO涂层可以防止油脂污染玻璃表面。研究人员说,这可能使藻酸盐-GO水凝胶可用于海洋环境中的涂料和结构。

Wong说:“这些复合材料可以用作海洋中的传感器,以在漏油期间保持读数,或用作防污涂层,有助于保持船体清洁。” 石墨烯提供的额外刚度将使此类材料或涂层比单独的藻酸盐耐用得多。

研究人员计划继续试验新材料,寻找简化其生产并继续优化其性能的方法。


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