高强度水凝胶的特点是支持支架由自然界中发现的一种成分:海藻制成。

北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)的这种可3d打印的凝胶有可能在生物医学材料和软机器人技术方面获得新的应用。

在杂志中描述自然通讯在美国,这种水基凝胶——称为同源复合水凝胶——既坚固又有弹性。这种3d打印的果冻由海藻酸盐组成——海藻和藻类中的一种化合物,通常用作增稠剂和伤口敷料。

将同一种海藻酸盐的不同尺寸的网状物合并在一起,可以消除水凝胶中不同材料合并时可能出现的脆性,北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程教授、论文通讯作者Orlin Velev说

据北卡罗来纳州立大学的研究人员称,这种同质复合材料——海藻酸盐介质中的软纤维藻酸盐颗粒——实际上是两种水凝胶的结合

Velev教授说:“一种是粒子水凝胶,一种是分子水凝胶。”“它们融合在一起,就会产生一种果冻状的材料,这种材料比其各个部分加起来还要好,而且它的特性可以通过3D打印机精确调整,以适应按需制造。”

水基凝胶通常是柔软的,甚至是易碎的。北卡罗来纳州开发的产品用海藻酸盐加强水凝胶,以改善整体机械性能,扩大可能的应用。

“海藻酸盐被用于伤口敷料,所以这种材料可能被用作增强3d打印绷带,或作为伤口愈合或药物传递的贴片,”北卡罗来纳州立大学化学和分子工程助理教授、该论文的合著者萧丽莲(liilian Hsiao)说。

Velev说,未来的工作将尝试调整这种融合同质复合材料的方法,以推进3D打印在生物医学应用或生物医学注射材料中的应用。

在简短的问答中技术简介下面,Velev教授解释了更强的水凝胶的可能性。

技术简介:水凝胶的令人兴奋的前景是什么?你的成就如何推进什么是可能的?

教授奥林Velev水凝胶是最基本的水基“软物质”之一,应用范围从生物医学和制药产品到食品和软机器人。

技术简介你的水凝胶看起来和摸起来怎么样?

Velev教授许多(但不是全部)水凝胶看起来像我们熟悉的透明“果冻”,但在许多情况下,它们可能是不透明的糊状材料。水凝胶最重要的特点是含水量高。它们可以是有弹性的,但通常也是软的和脆弱的,我们为这个问题提供了一个可能的解决方案。

技术简介材料的制造有多简单?只是把它们混合在一起的问题吗?

Velev教授常见的水凝胶通常是通过冷却生物高聚物的热溶液,或将其与交联剂混合而制成的。然而,我们的水凝胶需要预先制备一类特殊的“粘性”纤维颗粒,称为软树枝状胶体。他们在我的小组里被发现,然后报告了早先出版.这些颗粒由与水凝胶相同的致密材料制成,相互锁在一起,形成一个内部强化网络。

技术简介:一旦有了“内部强化网络”,这些水凝胶的强度如何?与标准水凝胶相比强度如何?

Velev教授我们的强化水凝胶有3到5倍大杨氏模量断裂时的拉伸强度比“标准”分子水凝胶高。这是由于分子网络的协同增强,由同一种材料(藻酸盐)制成的非常具有粘性的软树枝状胶体材料的致密层次网络。

技术简介是什么启发了我们选择使用海藻酸盐?

Velev教授海藻酸盐是一种最常见的水凝胶基质,用于生物医学应用。它们特性好,价格便宜,无处不在,因此是理想的模型系统。

技术简介关于调优的几个问题:如何调优属性?会有一个菜单的可能性,如果,说,我想3D打印绷带与增厚的软机器人?仅仅是调整机械性能吗?如果没有,还有什么?

Velev教授大幅度改善和调整“同种复合”水凝胶的性能是我们工作的核心。它是通过混合两种水凝胶组成的成分,由相同的藻酸盐碱,然后结合在一起。海藻酸分子网络使水凝胶柔软透明,而柔软的树枝状胶体网络使其更坚固,可以3d打印。

技术简介:为不同的应用调整材料以使其具有不同的强度有多“容易”(或挑战性)?

Velev教授:水凝胶力学性能的可调性是我们工作的一个关键科学目标,而凝胶的流变学(非牛顿响应)数据在大部分的图表中都有显示。基本上,我们可以将材料的黏度或刚度从接近水的液体调整为刚性和弹性的凝胶。然而,更重要和更复杂的任务是设计具有“屈服应力”的凝胶——一种可以像糨糊一样挤出来,但从打印机喷嘴出来后仍能保持形状的凝胶。这是通过添加柔软的树枝状胶体来实现的。此外,我们还可以控制挤出的凝胶变硬的速度,以创造一个坚固和有弹性的材料。

技术简介您认为这种更强的水凝胶有哪些具体的应用?这项工作最让你兴奋的是什么?

Velev教授从我们的角度来看,最令人兴奋的方面是能够设计一种新的软物质,具有改进的和非常好的控制性质。然而,它在生物医学治疗、制药(例如可注射的凝胶)、软机器人促动器甚至食品方面有许多应用。

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