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一种构建复杂三维水凝胶的新方法——毛细折纸

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水凝胶是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基,亲水残基与水分子结合,将水分子连接在网状内部,而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系,性质柔软,能保持一定的形状,能吸收大量的水。


    水凝胶在很多工程和生物医学中具有广泛的应用,其形状和大小对水凝胶的应用和功能具有重要的影响。例如, 将直径300 – 500 m的海藻酸水凝胶球移植到小鼠体内,会引起严重纤维化反应,而较大尺寸的水凝胶球(1.5 -1.9 mm)则不会。而且相比于五角和三角形,球形的排异反应最小。同时,不同特定形状的微尺度水凝胶常常被用来模拟构建不同组织的功能单元,进而可以组装构建更加复杂的组织结构。尽管已有很多关于构建三维水凝胶的方法,如光刻、微流控和3D打印等等,但对于复杂的形状,如非柱形的结构,这些方法并不十分有效。同时还会受限于水凝胶材料的种类和某些性能。因此,目前仍然缺少一种简单便捷的构建复杂三维形状水凝胶的方法。


    近日,受毛细折纸现象的启发,西安交通大学仿生工程与生物力学中心提出了一种简单有效的构建三维复杂水凝胶的方法。毛细折纸现象是一种有趣的表面张力现象,随着液滴蒸发,二维的弹性薄膜会在表面张力的作用下逐渐变形折叠,形成三维结构,根据液滴和薄膜大小的不同,整个闭合过程需要10min~30min。通常情况下,水凝胶交联只需要不到一分钟。因此,将普通的水换成水凝胶,可以在折叠过程的任意一个时刻进行交联,冻结水凝胶的三维形状,从而得到不同三维结构的水凝胶。他们通过设计PDMS弹性膜的大小和形状,可以实现~ 100μm ~ 1mm大小不同三维形状的水凝胶。这种方法简单方便,整个过程无需外力驱动,自发完成,并可以适用于不同交联条件的水凝胶材料。同时,他们还建立了数学模型用于预测水凝胶的形状。通过改变二维薄膜的形状、无量纲参数(弹性毛细常数Ce)和蒸发时间,可以利用模型精确地实现三维形状(金字塔形、五面体和立方体)和尺寸的控制(从微米到厘米)。


    该研究在柔性电子、组织再生以及药物输送中具有重要的应用前景。相关论文发表于Small(DOI: 10.1002/smll.201601147)上,并被选为期刊封面文章(Front Cover),第一作者为西安交通大学博士生李墨筱,由卢天健教授和徐峰教授共同指导完成。



    标签:   微流控 水凝胶 光刻 PDMS 3D打印
    手持式PDMS打孔器