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波士顿华人教授研发新材料 可用于机器人仿真皮肤

据MIT新闻网报导,该校赵选贺副教授领导的团队研发出一种薄的弹性层,可覆盖在水凝胶上以防止脱水,让水凝胶保持湿润、灵活和弹性。

赵选贺副教授指出,他们的灵感来自人类皮肤,真皮层由于有表皮层保护,其中的神经和毛细血管,以及体内的肌肉和器官等不会失去水分。 而他们研发的弹性表层与水凝胶的黏着度,高于人类皮肤的表皮层和真皮层,并且更为坚固。该材料的弹性,能拉到原本长度的七倍。

该报导也指出,他们研发的技术,可以在这种复合材料中铺下类似毛细血管的微小通道,并尝试在材料中嵌入复合离子电路,以模拟神经网络。

麻省总医院和哈佛医学院Syun-Hyun Yun副教授表示,弹性表层和水凝胶结合,可以产生很多新的应用,包括未来可以研制出植入身体的人工智能皮肤,以监测人体健康状况、检测病原体,并输入药物。

赵选贺副教授希望未来可以发掘更多这种复合材料的潜力,包括应用于可穿戴电子设备、可控药物传输绷带,以及防脱水、电路嵌入隐形眼镜等。

赵选贺副教授6月27日在“自然通信”(Nature Communications)杂志发表防止水凝胶脱水的技术论文,内容简介如下:哺乳动物的皮肤是由类弹性体的表皮(Epidermis)和类水凝胶的真皮(Dermis)和皮下组织(Hypodermis)组成。表皮与真皮间具有强的界面(界面韧性 100 J/m2),并且皮肤中具有大量的微观功能结构(如血管、淋巴等)。弹性体和水凝胶是两类常见的高分子材料,但它们通常分开使用。设计和制备水凝胶/弹性体杂化材料通常会遇到三个方面的问题:(1)弹性体具有高的氧气渗透性,造成水凝胶的自由基聚合或水凝胶在弹性体表面的共价反应困难;(2)弹性体表面的疏水性也限制了水凝胶与弹性体的有效键合;(3)预凝胶溶液渗入到弹性体中的功能结构中,造成弹性体的功能结构的破坏。因此,开发一种通用的设计和制备具有强界面韧性和微观功能结构的水凝胶/弹性体杂化材料的方法是该领域中亟待解决的问题。


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图1.水凝胶/弹性体杂化材料制备和结构示意图


赵选贺副教授针对上述问题,开发了一种制备水凝胶/弹性体杂化材料的通用方法。如图1所示,他们将可以再反应形成高韧性凝胶的物理交联水凝胶与经过苯甲酮浸泡处理的弹性体组装在一起,再经过紫外光引发聚合,就形成了具有强韧界面的水凝胶/弹性体杂化材料(图1d)。在制备物理交联凝胶和弹性体时,还可以设计上功能结构(图1a 和1b)。这些微功能结构在制备得到的水凝胶/弹性体杂化材料中得以保存,即使在受到拉伸形变的情况下也不破坏剥离。苯甲酮的浸泡处理使得弹性体的氧阻聚作用得到抑制,并且有利于与弹性体与水凝胶的共价键合。


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图2.弹性体的处理和水凝胶的韧性对水凝胶/弹性体杂化材料界面稳定性的影响


剥离实验结果显示,水凝胶/弹性体杂化材料的界面韧性能达到~1500 J/m2。图2的结果显示,弹性体用苯甲酮处理和水凝胶本身的韧性对于形成强韧界面的水凝胶/弹性体杂化材料都是必不可少的。可以发现,只有两种条件兼备的情况下,制备的水凝胶/弹性体杂化材料在拉伸的过程中水凝胶与弹性体才不会发生明显的剥离现象。


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图3.含有微流控通道的水凝胶/弹性体杂化材料及其拉伸下的稳定性


这种强韧界面对于弹性体或凝胶中的功能结构也至关重要,从图3可以看到,弹性体中的微流控通道在水凝胶/弹性体杂化材料中得以保存,即使在拉伸条件下也不发生破坏。


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图4.导电水凝胶/弹性体杂化材料


从图4可以看到,导电的水凝胶电路即使在拉伸的情况下也可以工作,而如果水凝胶与弹性体间没有强的界面韧性,在拉伸的过程中,凝胶就会与弹性体发生剥离造成电路通道破坏。


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图5.弹性体包覆的水凝胶具有很好的抗脱水性能


另外,他们还发现水凝胶表面如果包覆一层弹性体则能有效抑制水凝胶的脱水(图5)。

他们设计开发制备水凝胶/弹性体杂化材料的方法不局限于特定的高韧性水凝胶和弹性体,因此,多种水凝胶(如PAAm-alginate, PAAm-hyaluronan, PAAm-chitosan,PEGDA-alginate 和PEGDA-hyaluronan)和多种弹性体(如polydimethylsiloxane Sylgard184 , polyurethane,latex, VHB, Ecoflex)的组合都可以获得强韧界面的杂化材料。他们的设计方法及其设计的具有微功能结构的水凝胶/弹性体杂化材料将在柔性生物电子器件、组织工程和生物医药中将得到更好的应用。




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