«Эта работа приближает нас на один шаг к разработке новых технологий мягкой робототехники, которые имитируют биологические системы и могут работать в водной среде», — говорит доктор Майкл Дики, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в NC State и соавтор статьи. описание работы.«В ближайшем будущем этот метод может найти применение для доставки лекарств или создания тканевых каркасов и, например, для управления ростом клеток в трех измерениях», — говорит доктор Орлин Велев, профессор химической и биомолекулярной инженерии INVISTA в штате Северная Каролина, второй старший автор. бумаги.В разработанной ими методике используются гидрогели, представляющие собой гели на водной основе, состоящие из воды и небольшой части молекул полимера. Гидрогели эластичны, полупрозрачны и теоретически биосовместимы.
Исследователи нашли способ изменить и структурировать участки гидрогеля электрически, используя медный электрод для введения в материал положительно заряженных ионов меди. Эти ионы связываются с отрицательно заряженными участками полимерной сетки в гидрогеле, по существу связывая молекулы полимера друг с другом и делая материал более жестким и упругим.
Исследователи могут воздействовать на определенные области с помощью электродов, чтобы создать каркас из укрепленного материала внутри гидрогеля. Полученные в результате структуры ионов стабильны в воде в течение нескольких месяцев.«Связи между молекулами биополимера и ионами меди также сближают молекулярные нити, заставляя гидрогель изгибаться или сгибаться», — говорит Велев. «И чем больше ионов меди мы вводим в гидрогель, пропуская ток через электроды, тем дальше он изгибается».
Исследователи смогли воспользоваться преимуществами повышенной жесткости и поведения изгиба в узорчатых участках, чтобы заставить гидрогель манипулировать объектами. Например, исследователи создали V-образный сегмент гидрогеля. Когда ионы меди вводились в нижнюю часть V, гидрогель изгибался — закрываясь на объекте, как если бы гидрогель был парой мягкого пинцета.
Вводя ионы в обратную сторону гидрогеля, пинцет открывался, освобождая объект.Исследователи также создали химически активированный «захват» из X-образного сегмента гидрогеля с узорчатым каркасом на обратной стороне X. Когда гидрогель был погружен в этанол, не узорчатый гидрогель сжался. Но поскольку узорчатый каркас был более жестким, чем окружающий гидрогель, крестик закрылся, как лепестки цветка, захватив объект. Когда Х-образная структура была помещена в воду, гидрогель расширился, позволяя «лепесткам» раскрыться и освободить объект.
«В настоящее время мы планируем использовать эту технику для разработки подвижных, биологически совместимых микроустройств», — говорит Велев.«Также стоит отметить, что этот метод работает с ионами, отличными от меди, такими как кальций, которые имеют биологическое значение», — говорит Дики.
Статья «Обратимое формирование рисунка и срабатывание гидрогелей с помощью ионной печати с электроприводом» была опубликована в Интернете 2 августа в журнале Nature Communications. Ведущими авторами статьи являются доктор Этьен Палло, бывший научный сотрудник в штате Северная Каролина, и Даниэль Моралес, доктор философии. студент NC State.
Работа была поддержана Центром исследований материалов и инженерии Research Triangle Национального научного фонда и DS / DGA-France.В 2011 году Велев и Дики опубликовали исследование своей разработки гелеподобных запоминающих устройств, которые работают во влажной среде.Видео: http://www.youtube.com/watch?v=9SXWJP1KK-8feature=youtu.be