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.