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      研究人員創(chuàng)造了具有潛在生物醫(yī)學和環(huán)境用途的新智能材料
      
			
      
				2019-07-05 08:51:09
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      布朗大學的研究人員已經(jīng)展示了一種使用氧化石墨烯(GO)為海藻酸鹽制成的水凝膠材料添加一些骨架的方法，海藻酸鹽是一種天然材料，來自海藻，目前用于各種生物醫(yī)學應(yīng)用。在發(fā)表在Carbon雜志上的一篇論文中，研究人員描述了一種三維印刷方法，用于制造復(fù)雜耐用的藻酸鹽-GO結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比單獨使用海藻酸鹽更堅硬，更耐破碎。
      

      研究人員創(chuàng)造了具有潛在生物醫(yī)學和環(huán)境用途的新智能材料
      

      “使用藻酸鹽水凝膠的一個限制因素是它們非常脆弱 - 它們在機械載荷或低鹽溶液中往往會分崩離析，”Thomas Valentin博士說。布朗工程學院的學生領(lǐng)導(dǎo)了這項工作。“我們展示的是通過包括氧化石墨烯納米片，我們可以使這些結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)健。”
      

      該研究表明，該材料還能夠響應(yīng)不同的化學處理變得更硬或更柔軟，這意味著它可以用來制造能夠?qū)崟r對周圍環(huán)境作出反應(yīng)的“智能” 材料。此外，藻酸鹽-GO保留了海藻酸鹽排斥油的能力，使新材料成為一種堅固的防污涂料。
      

      用于制造材料的3-D印刷方法稱為立體平版印刷術(shù)。該技術(shù)使用由計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)控制的紫外激光來跟蹤光活性聚合物溶液表面上的圖案。光導(dǎo)致聚合物連接在一起，從溶液中形成固體3-D結(jié)構(gòu)。重復(fù)跟蹤過程，直到從底部向上逐層構(gòu)建整個對象。在這種情況下，聚合物溶液是使用海藻酸鈉與氧化石墨烯片混合制成的，氧化石墨烯是一種碳基材料，形成一個原子厚的納米片，比鋼更強。
      

      該技術(shù)的一個優(yōu)點是藻酸鈉聚合物通過離子鍵連接。這種粘合強度足以將材料固定在一起，但它們可以通過某些化學處理來破壞。這使材料能夠動態(tài)響應(yīng)外部刺激。此前，布朗的研究人員表明，這種“離子交聯(lián)”可用于制造藻酸鹽材料，這些材料可根據(jù)需要降解，當用化學物質(zhì)處理后迅速溶解，從化學物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中清除離子。
      

      對于這項新研究，研究人員希望了解氧化石墨烯如何改變藻酸鹽結(jié)構(gòu)的機械性能。他們表明藻酸鹽-GO的硬度可以是單獨的藻酸鹽的兩倍，并且通過開裂可以抵抗失敗。
      

      “加入氧化石墨烯使藻酸鹽水凝膠與氫鍵結(jié)合，”布朗的工程助理教授，該論文的資深作者Ian Y. Wong說。“我們認為抗裂性是由于裂縫必須繞過散布的石墨烯片，而不是能夠通過均勻的藻酸鹽破壞。”
      

      額外的硬度使研究人員能夠打印出具有懸垂部分的結(jié)構(gòu)，而單獨使用海藻酸鹽是不可能的。此外，增加的僵硬度也不能阻止藻酸鹽-GO也能對單獨的藻酸鹽等外部刺激產(chǎn)生反應(yīng)。研究人員表明，通過將材料浸泡在去除離子的化學物質(zhì)中，材料會膨脹并變得更柔軟。當離子通過離子鹽浴中恢復(fù)時，材料恢復(fù)了剛度。實驗表明，通過改變材料的外部離子環(huán)境，可以將材料的剛度調(diào)整到500倍以上。
      

      研究人員表示，改變其剛度的能力可以使海藻酸鹽-GO在各種應(yīng)用中發(fā)揮作用，包括動態(tài)細胞培養(yǎng)。
      

      瓦倫丁說：“你可以想象一個場景，你可以在僵硬的環(huán)境中對活細胞進行成像，然后立即改變到更柔和的環(huán)境，看看同樣的細胞可能會如何反應(yīng)。” 這可能有助于研究癌細胞或免疫細胞如何通過全身的不同器官遷移。
      

      而且由于海藻酸鹽-GO保留了純海藻酸鹽強大的防油性能，新材料可以制成出色的涂層，防止油污和其他污垢在表面積聚。在一系列實驗中，研究人員表明，藻酸鹽-GO涂層可以防止油在高鹽度條件下污染玻璃表面。研究人員說，這可能使藻酸鹽-GOG水凝膠對海洋環(huán)境中使用的涂料和結(jié)構(gòu)有用。
      

      “這些復(fù)合材料可以用作海洋中的傳感器，可以在溢油過程中保持讀數(shù)，或作為防污涂層，有助于保持船體清潔，”Wong說。由石墨烯提供的額外剛度將使這種材料或涂層比單獨的藻酸鹽更耐用。
      

      研究人員計劃繼續(xù)嘗試新材料，尋找簡化生產(chǎn)的方法，并繼續(xù)優(yōu)化其性能。
      
			

			
        
      
			
      
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