هیدروژل پویا برای ساخت اجزای «ربات نرم» و بلوک‌های ساختمانی لِگو مانند

تاریخ: 21 مارس 2019
منبع: دانشگاه براون
 

توضیح تصویر: بلوک های ساختمانی هیدروژلی لگو مانند که با کانال های ریز سیال طراحی شده اند می توانند به شکل ابزارهای میکروسیال پیچیده سوار شوند و سپس محکم به هم بسته شوند.
اعتبار: دانشگاه Wong Lab / Brown
     

محققان دانشگاه براون با استفاده از یک نوع جدید از مواد پلیمر دوگانه‌ی قادر به پاسخ به طور پویا به محیط خود، مجموعه ای از اجزای هیدروژل مدولار را ساخته اند که می توانند در انواع برنامه های کاربردی "نرم افزار رباتیک" و زیست پزشکی مفید باشند.
 
اجزاء که توسط یک چاپگر سه بعدی طراحی شده اند، قادر به خم شدن، چرخیدن یا چسبیدن به هم در پاسخ به عمل با مواد شیمیایی خاص هستند. محققان برای مقاله ای که در مجله Polymer Chemistry منتشر شده، یک گیره نرم را که می توانست بر حسب تقاضا برای برداشتن اجسام کوچک اقدام کند، به نمایش گذاشتند. آنها همچنین بلوک های ساختمانی هیدروژل لگو مانند را طراحی کرده اند که می توانند با دقت سوار شوند و سپس به صورت محکم به هم وصل شوند تا دستگاه های میکرو سیال سفارشی را شکل دهند - سیستم های «آزمایشگاه روی تراشه»ای که برای غربالگری دارو، کشت سلولی و سایر برنامه های کاربردی استفاده می شود.
 
محققان می گویند کلید قابلیت ماده جدید، ترکیب پلیمری دوگانه آن است.
 
توماس والنتین که یک دانشجوی فارغ التحصیل دکترا در مدرسه مهندسی براون و نویسنده راهبر مقاله است گفت: "در اصل، یک پلیمر یک یکپارچگی ساختاری را فراهم می کند، در حالی که دیگری این رفتارهای پویا مانند خمش یا خود - چسبندگی را مقدور می سازد،" "بنابراین قرار دادن این دو باهم، یک ماده را تولید می کند که قابلیتی بیشتر از مجموع قابلیتهای قطعات آن دارد." دو نوع پیوند وجود دارد که پلیمرهای متقاطع را با هم نگاه می دارد: کووالانسی و یونی.
 
هیدروژل‌ها هنگامی که رشته های پلیمری درون آنها، در فرایندی که ارتباط متقاطع نامیده می‌شود، به یکدیگر متصل می‌شوند، سخت می‌شوند. دو نوع پیوند وجود دارد که پلیمرهای متقاطع را با هم نگاه می دارد: کووالانسی و یونی. پیوتد کوالان کاملا قوی، اما غیر قابل برگشت است. هنگامی که دو رشته به طور کوالان مرتبط می شوند، رشته ها را آسان تر می توان شکست تا از پیوند رهایشان کرد. از طرف دیگر، پیوند یونیک کاملا قوی نیست، اما آنها می توانند معکوس شوند. اضافه کردن یون ها (اتم ها یا مولکول ها با بار خالص مثبت یا منفی) موجب تشکیل پیوند می شود. برداشتن یون ها پیوند را از بین می برد.
 
برای این مواد جدید، محققان یک پلیمر که به صورت کوالانی دارای پیوند متقاطع است و PEGDA نامیده می شود، و یکی که به صورت یونی دارای پیوند متقاطع است و  PAA نامیده می شود را با هم ترکیب می کنند. پیوندهای کوالانی قوی PEGDA این مواد را به هم پیوسته نگه می دارد، در حالی که پیوندهای یونی PAA آن را واکنشی می سازد. قرار دادن مواد در یک محیط غنی از یون باعث می شود که PAA دارای پیوند متقاطع شود، به این معنی که آن را سخت تر و به هم بسته‌تر می کند. این یون ها را از میان بردارید تا همان طور که پیوندهای یونی می‌شکند ماده نرم و متورم شود. همان روند همچنین باعث می شود که در صورت لزوم مواد مورد نظر خود چسبنده باشند. دو قطعه جداگانه را با هم مخلوط کنید، بعضی از یون ها را اضافه کنید و قطعات را به هم بزنید.
 
آن ترکیب از قدرت و رفتار پویا، محققان را قادر ساخت تا چنگ زنیِ نرمِ خود را بسازند. آنها طراحی را به گونه ای انجام دادند که هر یک از "انگشتان" چنگ زنی، در یک طرف PEGDA خالص و در طرف دیگر مخلوطی از PEGDA-PAA داشته باشد. اضافه کردن یون باعث شد که طرف PEGDA-PAA جمع و تقویت شود، که این امر، دو انگشت چنگ زنی را به طرف هم کشید. محققان نشان دادند که چنین ترتیبی به اندازه کافی قوی بود که اجسام کوچک وزن حدوداً یک گرمی را بلند کند و آنها را در برابر گرانش حفظ کند.
 
یان یو وانگ، استادیار مهندسی و نویسنده مربوطه این مقاله، گفت: "علاقه بسیار زیادی به موادی وجود دارد که می توانند شکل های خود را تغییر دهند و به طور خودکار با محیط های مختلف سازگار شوند." "بنابراین در اینجا ما یک ماده را به نمایش گذاشتیم که می توانست خم شود و در پاسخ به محرکهای خارجی شکل پذیری مجددی داشته باشد."
 
محققان می گویند اما به طور بالقوه یک کاربرد فوری آن در میکروسیال‌ها است.
 
هیدروژل‌ها مواد جذابی هستند برای دستگاه های میکرو سیال، که به ویژه برای آزمایشات پزشکی کاربرد دارند. آنها نرم و انعطاف پذیرند مانند بافت انسان، و به طور کلی غیر سمی هستند. مشکل این جاست که غالباً مشکل است هیدروژلها را با کانال ها و حفره های پیچیده مورد نیاز در میکرو سیالها طراحی کرد.
 
اما این ماده جدید - و مفهوم بلوک لگو مانند که به وجود می‌آورد – یک راه حل بالقوه را پیشنهاد می‌دهد. فرآیند چاپ سه بعدی اجازه می دهد تا معماری های میکرو سیالی پیچیده در هر بلوک گنجانده شود. سپس آن بلوک ها می توانند با استفاده از یک پیکربندی سوکتی، بسیار شبیه به بلوک های لگوی واقعی، سوار شوند. اضافه کردن یون‌ها به بلوک های سوار شده یک درز گیری آب بند را ایجاد می کند. در اینجا ما یک ماده را به نمایش گذاشتیم که می توانست خم شود و در پاسخ به محرکهای خارجی شکل پذیری مجددی داشته باشد
 
والنتین گفت: "بلوک های لگوی مدولار از این نظر جالب هستند که ما می توانیم جعبه ابزار پیش ساخته‌ای را برای دستگاه های میکرو سیال ایجاد کنیم." "شما تنوعی از بخش های آماده با معماری های میکرو سیالی مختلف را در دست نگه می دارید، و سپس تنها آنهایی را که برای ساخت مدار سفارشی  میکرو سیالی نیاز دارید چنگ می زنید. سپس شما آنها را با هم جفت و جور می کنید و آن آماده انجام کار خواهد شد."
 
محققان می گویند که ذخیره بلوک ها برای دوره های طولانی مدت قبل از استفاده به نظر نمی رسد مشکل ساز باشد.
 
برگرفته از سایت ساینس دِیلی

مترجم: علی رضایی میر قائد