Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một loại vật liệu hydrogel mới có thể sớm khiến việc lắp ráp các thiết bị robot siêu nhỏ hoặc mềm phức tạp trở nên đơn giản như lắp ráp một bộ LEGO.
Các thành phần, được tạo mẫu bằng máy in 3D, có khả năng uốn, xoắn hoặc dính lại với nhau để đáp ứng với điều trị bằng một số hóa chất. Đối với một bài báo được công bố trên tạp chí Polymer Chemistry, các nhà nghiên cứu đã trình diễn một dụng cụ kẹp mềm có khả năng kích hoạt theo yêu cầu để nhặt các vật thể nhỏ. Họ cũng thiết kế các khối xây dựng hydrogel giống LEGO có thể được lắp ráp cẩn thận sau đó gắn chặt với nhau để tạo thành các thiết bị vi lỏng tùy chỉnh, hệ thống “lab-on-a-chip” được sử dụng để sàng lọc thuốc, nuôi cấy tế bào và các ứng dụng khác.
Chìa khóa cho chức năng của vật liệu mới là thành phần polymer kép của nó, các nhà nghiên cứu cho biết.
“Về cơ bản, một loại polymer cung cấp tính toàn vẹn cấu trúc, trong khi loại kia cho phép các hành vi động này như uốn cong hoặc tự dính,” Thomas Valentin, một tiến sĩ mới tốt nghiệp gần đây nói. sinh viên trường Kỹ thuật Brown và tác giả chính của bài báo. “Vì vậy, đặt hai cái lại với nhau làm cho một vật liệu lớn hơn tổng của các bộ phận của nó.”
Hydrogel hóa rắn khi các chuỗi polymer bên trong chúng bị buộc lại với nhau, một quá trình gọi là liên kết ngang. Có hai loại liên kết giữ các polyme liên kết ngang với nhau: cộng hóa trị và ion. Liên kết cộng hóa trị khá mạnh, nhưng không thể đảo ngược. Khi hai sợi được liên kết cộng hóa trị, việc phá vỡ sợi sẽ dễ dàng hơn so với phá vỡ liên kết. Mặt khác, liên kết ion không mạnh bằng, nhưng chúng có thể bị đảo ngược. Thêm các ion (nguyên tử hoặc phân tử có điện tích dương hoặc điện tích âm) sẽ khiến các liên kết hình thành. Loại bỏ các ion sẽ làm cho các liên kết bị phá vỡ.
Đối với vật liệu mới này, các nhà nghiên cứu đã kết hợp một loại polymer có liên kết cộng hóa trị, được gọi là PEGDA và một loại được liên kết ngang về mặt ion, được gọi là PAA. Liên kết cộng hóa trị mạnh của PEGDA giữ vật liệu lại với nhau, trong khi liên kết ion của PAA làm cho nó phản ứng nhanh. Đặt vật liệu trong môi trường giàu ion làm cho PAA liên kết chéo, có nghĩa là nó trở nên cứng hơn và co lại. Mang các ion đó đi, và vật liệu mềm và phồng lên khi liên kết ion bị phá vỡ. Quá trình tương tự cũng cho phép vật liệu tự dính khi muốn. Đặt hai mảnh riêng biệt với nhau, thêm một số ion và các mảnh gắn chặt với nhau.
Sự kết hợp giữa sức mạnh và hành vi năng động đã cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra lực kẹp mềm hơn. Họ tạo khuôn mẫu cho mỗi “ngón tay” của dụng cụ kẹp để có PEGDA nguyên chất ở một bên và mặt khác là hỗn hợp PEGDA-PAA. Việc thêm các ion đã khiến phía PEGDA-PAA co lại và tăng cường, điều này đã kéo hai ngón tay kẹp lại với nhau. Các nhà nghiên cứu cho thấy rằng thiết lập đủ mạnh để nâng các vật thể nhỏ nặng khoảng một gram và giữ chúng chống lại trọng lực.
“Có rất nhiều hứng thú với các vật liệu có thể thay đổi hình dạng và tự động thích nghi với các môi trường khác nhau”, Ian Y. Wong, một giáo sư trợ lý kỹ thuật và tác giả tương ứng của bài báo cho biết. “Vì vậy, ở đây chúng tôi chứng minh một vật liệu có thể uốn cong và tự cấu hình lại để đáp ứng với một kích thích bên ngoài.”
Nhưng có khả năng một ứng dụng ngay lập tức hơn là trong vi lỏng, các nhà nghiên cứu nói.
Hydrogel là một vật liệu hấp dẫn cho các thiết bị vi lỏng, đặc biệt là những vật liệu được sử dụng trong thử nghiệm y sinh. Chúng mềm mại và linh hoạt như mô người, và nói chung không độc hại. Vấn đề là hydrogel thường khó tạo mẫu với các kênh và buồng phức tạp cần thiết trong vi lỏng.
Nhưng vật liệu mới này và khái niệm khối LEGO mà nó cho phép cung cấp một giải pháp tiềm năng. Quá trình in 3D cho phép các kiến trúc vi lỏng phức tạp được kết hợp vào mỗi khối. Những khối đó sau đó có thể được lắp ráp bằng cách sử dụng cấu hình ổ cắm giống như các khối LEGO thực. Thêm các ion vào các khối lắp ráp làm cho một con dấu kín nước.
“Các khối LEGO mô-đun thú vị ở chỗ chúng ta có thể tạo ra một hộp công cụ đúc sẵn cho các thiết bị vi lỏng,” Valentin nói. “Bạn giữ một loạt các bộ phận đặt sẵn với các kiến trúc vi lỏng khác nhau trong tay, và sau đó bạn chỉ cần lấy những bộ phận bạn cần để tạo ra mạch vi lỏng tùy chỉnh. Sau đó, bạn chữa lành chúng cùng nhau và nó đã sẵn sàng để đi.”
Và việc lưu trữ các khối trong thời gian dài trước khi sử dụng dường như không phải là vấn đề, các nhà nghiên cứu cho biết.
“Một số mẫu mà chúng tôi đã thử nghiệm cho nghiên cứu này là ba hoặc bốn tháng tuổi”, Eric DuBois, một sinh viên đại học Brown và đồng tác giả trên báo cho biết. “Vì vậy, chúng tôi nghĩ rằng những thứ này có thể vẫn có thể sử dụng được trong một thời gian dài.”
Các nhà nghiên cứu cho biết họ sẽ tiếp tục làm việc với vật liệu này, có khả năng điều chỉnh các thuộc tính của các polyme để có được độ bền và chức năng cao hơn nữa.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Brown . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :