Новый «умный» материал найдёт широкое применение в биологии и медицине | Gearmix
26.11.2018 10:02

Новый «умный» материал найдёт широкое применение в биологии и медицине

Источник перевод для gearmix ()

Исследователи в Университете Брауна предложили способ использовать оксид графена для упрочнения гидрогелевых материалов, сделанных из альгината — природного материала, получаемого из морских водорослей, который широко используется в биологии и медицине. В статье, опубликованной в журнале Carbon, они описывают разновидность 3-D печати для получения прочных и долговечных структур из альгината и оксида графена, намного более устойчивых в внешним воздействиям, чем сам альгинат.

«Хрупкость гидрогелей из альгината ограничивает область их применения — они разрушаются под нагрузкой и в слабых солевых растворах, — говорит ркуоводитель исследования Томас Валентин, аспирант Инженерной школе Брауна. — Мы показали, что путём внедрения нанолистков из оксида графена эти структуры можно сделать намного более прочными».

Подпись к изображению: В Университете Брауна создан гибридный материал на основе получаемого из водорослей альгината и наноматериала – оксида графена. Используемая при этом технология 3-D печати позволяет создавать сложные структуры, подобные показанной на рисунке, которая имитирует атомную решётку графена

Этот материал также способен становиться жёстче или мягче в ответ на разные типы химического воздействия — таким образом, он позволяет создавать «умные» материалы, способные реагировать на своё окружение в реальном времени. К тому же, структура «альгинат – оксид графена» (альгинат-ОГ) сохраняет способность альгината отталкивать жиры, что делает его перспективным противообрастающим покрытием.

Способ 3-D печати, использованный для получения этого материала, также известен как «стереолитография». В нём используется ультрафиолетовый лазер, управляемый системой автоматизированного проектирования, для копирования характерных структур на поверхности фотоактивного раствора полимера. Лазер заставляет полимеры объединиться, образуя в растворе твёрдые 3-D структуры. Копирование повторяется, слой за слоем, до воссоздания объекта целиком. В данном случае полимерный раствор был получен, используя альгинат натрия в смеси с нанолистками оксида графена — углеродистом материале, образующем нанолистки толщиной в один атом, более прочные, чем сталь.

Одно из преимуществ этой технологии в том, что полимеры с альгинатом натрия основаны на ионных связях. Такие связи достаточно прочны для удержания формы, но их можно разрушить обработкой определёнными химикалиями. Это придаёт материалу способность динамически реагировать на внешнее воздействие. В прошлом исследователи показали, что эти «ионные перекрёстные связи» можно использовать для создания альгинатов, которые распадаются «по требованию», быстро растворяясь при обработке веществами, которые вымывают ионы из их внутренней структуры.

В этой работе исследователи хотели выяснить, как оксид графена изменяет механические свойства альгината. Было подтверждено, что структура «альгинат – оксид графена» может быть вдвое прочнее, чем только альгинат, и намного более устойчивой к растрескиванию.

«Добавка оксида графена стабилизирует альгинатный гидрогель водородными связями, — говорит аспирант Иан Вонг, руководитель исследования. — Мы полагаем, что изломостойкость растёт из-за возникновения необходимости для трещин обходить листки графена».

Дополнительная жёсткость позволяет печатать структуры с нависающими участками, что невозможно с чистым альгинатом. Более того, возросшая жёсткость не помешала материалу отвечать на внешние воздействие так же, как и чистый альгинат. Оказалось, что при при обработке этого материала химикалиями, удаляющими ионы, он разбухает и становится значительно мягче. Жесткость восстановилась с возвращением ионов, после погружения материала в солевой раствор. Эксперименты показали, что жёсткость может изменяться в 500 раз, при воздействии разных ионов.

Способность альгината-ОГ менять жёсткость будет полезна в разных приложениях, включая активные клеточные культуры.

«Например, можно поместить живую клетку в жёсткое окружение и моментально сделать его мягким, с целью увидеть реакцию клетки», — говорит Валентин. Это может быть полезным при изучении того, как раковые и иммунные клетки распространяются в различных органах.

Так как альгинат-ОГ сохраняет сильные маслофобные свойства чистого альгината, он был бы отличны покрытием, отталкивающим масло и подобные загрязнители и не дающим им накапливаться на поверхностях. В серии экспериментов было показано, что покрытие из альгината-ОГ способно защищать стекло от масла в условиях сильного засоления, делает гидрогели на основе альгината-ОГ подходящими для применения в морских условиях.

«Эти композитные материалы можно использовать в море для датчиков, показания которых можно продолжать считывать при попадании на них масел, или как необрастающее покрытие для корпусов судов», — говорит Вонг.

Дополнительная жёсткость, придаваемая графеном, сделает такое покрытие намного долговечнее простого альгината.

Исследователи продолжают работу над этим материалом, совершенствуя технологию производства и улучшая его свойства.



ПОХОЖИЕ ЗАПИСИ


© Gearmix 2013
Права на опубликованный перевод принадлежат владельцам вебсайта gearmix.ru
Все графические изображения, использованные при оформлении статьи принадлежат их владельцам. Знак охраны авторского права распространяется только на текст статьи.
Использование материалов сайта без активной индексируемой ссылки на источник запрещено.

Комментарии запрещены.