布朗大學(xué)的研究人員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(xué)應(yīng)用。發(fā)表在Carbon雜志上的一篇論文中，研究人員描述了一種3D打印方法，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。

“使用海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。”領(lǐng)導(dǎo)了這項研究的布朗工程學(xué)院博士生ThomasValentin說，“我們展示的是，通過加入氧化石墨烯納米片，我們可以使這些結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)健。”

該研究表明，這種材料還能夠響應(yīng)不同的化學(xué)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)境做出反應(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3D打印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)控制的紫外激光來追蹤光活性聚合物溶液表面上的圖案。光使聚合物結(jié)合在一起，從溶液中形成固體3D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，比鋼的強度要強。

該技術(shù)的一個優(yōu)點是藻酸鈉聚合物通過離子鍵連接。這些鍵足夠牢固，可以把材料粘在一起，但它們可以被某些化學(xué)處理破壞。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)”可以用來制造藻酸鹽材料，這種材料可以根據(jù)需要降解，當(dāng)使用一種化學(xué)物質(zhì)清除材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的離子時，這種材料會迅速溶解。

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，而且更能抵抗開裂的破壞。

“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兼該論文的資深作者IanY.Wong說。“我們認(rèn)為抗裂性是由于裂縫不得不繞過散布的石墨烯片，而不是通過均勻的海藻酸鹽就能直接斷裂。”

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，增加的硬度并不能阻止海藻酸鹽-GO墨烯對外界刺激的反應(yīng)，就像海藻酸鹽單獨作用一樣。研究人員表明，通過將材料浸泡在去除離子的化學(xué)物質(zhì)中，材料會膨脹并變得更柔軟。當(dāng)離子通過在離子鹽中洗滌而恢復(fù)時，材料恢復(fù)了它們的硬度。實驗表明，通過改變材料的外部離子環(huán)境，可以將材料的硬度調(diào)整到500倍以上。

研究人員說，改變其硬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(xì)胞培養(yǎng)。

“你可以想象這樣一個場景，你可以在僵硬的環(huán)境中對活細(xì)胞進(jìn)行成像，然后立即改變到更柔和的環(huán)境，看看同樣的細(xì)胞可能會如何反應(yīng)。”Valentin說。這可能有助于研究癌細(xì)胞或免疫細(xì)胞如何在全身不同器官間遷移。

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，海藻酸鹽-GO涂層可以防止油在高鹽度條件下污染玻璃表面。研究人員表示，這可能使海藻酸鹽-GOG水凝膠可用于海洋環(huán)境中使用的涂料和結(jié)構(gòu)。

“這些復(fù)合材料可用作海洋中的傳感器，在石油泄漏時持續(xù)讀取數(shù)據(jù)，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硬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)方法并繼續(xù)優(yōu)化其性能的方法。