具有微通道圖案的樂(lè)高狀水凝膠構(gòu)件塊可以組裝成復(fù)雜的微流控裝置，并緊緊密封在一起

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，布朗大學(xué)（Brown University）的研究人員使用一種能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)環(huán)境的新型雙聚合物材料開發(fā)出一套模塊化水凝膠組件，可用于各種“軟體機(jī)器人”和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

這種由3D打印機(jī)制作而成的組件能夠彎曲、扭曲或粘在一起，以響應(yīng)對(duì)特定化學(xué)品的處理。在發(fā)表在《高分子化學(xué)》（Polymer Chemistry）期刊的論文中，研究人員展示了一款柔軟的夾具，能夠按需驅(qū)動(dòng)拾取小物件。他們也設(shè)計(jì)了類似樂(lè)高的水凝膠積木，可以精細(xì)組裝，然后緊緊密封在一起，以形成定制化微流控裝置，可用于藥物篩選、細(xì)胞培養(yǎng)和其他應(yīng)用的“芯片實(shí)驗(yàn)室”系統(tǒng)。

研究人員表示，新材料所具備功能的關(guān)鍵是其雙聚合物成分。

布朗大學(xué)工程學(xué)院近期畢業(yè)的博士生、論文主要作者Thomas Valentin表示，“本質(zhì)上，一種聚合物能夠提供結(jié)構(gòu)完整性，另一種能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)行為，如彎曲或自粘合。因此，將兩者放在一起生成的材料會(huì)優(yōu)于各部分相加的總和。”

當(dāng)水凝膠中的聚合物鏈彼此栓在一起時(shí)，水凝膠會(huì)固化，該過(guò)程被稱為交聯(lián)。有兩種類型的鍵合可將交聯(lián)聚合物整合起來(lái)：共價(jià)鍵和離子鍵。共價(jià)鍵相當(dāng)強(qiáng)大，但不可逆轉(zhuǎn)。一旦兩條鏈共價(jià)連接，斷裂鏈會(huì)比破壞鍵更容易。另一方面，離子鍵沒(méi)那么強(qiáng)大，但是可以逆轉(zhuǎn)。添加離子（具有凈正電荷或負(fù)電荷的原子或分子）將導(dǎo)致鍵的形成，去除離子則會(huì)導(dǎo)致鍵的分離。

針對(duì)這種新材料，研究人員將一種共價(jià)交聯(lián)的聚合物（PEGDA）和另一種離子交聯(lián)的聚合物（PAA）結(jié)合在一起。PEGDA的強(qiáng)共價(jià)鍵將材料結(jié)合在一起，而PAA的離子鍵使其具有響應(yīng)性。將材料置于富含離子的環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致PAA交聯(lián)，意味著該材料會(huì)變得更堅(jiān)硬并收縮。將離子撤走，隨著離子鍵斷裂，該材料又會(huì)軟化并膨脹。相同的方法也使得材料在需要時(shí)能夠自粘。將兩個(gè)單獨(dú)的部件放在一起，添加一些離子，這些部件就會(huì)緊密地連接在一起。

這種強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)變化的結(jié)合，使研究人員能夠制造出柔軟的夾具。他們將每個(gè)夾具的“手指”制作成一面是純PEGDA材料，一面是PEGDA-PAA的混合物。添加離子導(dǎo)致PEGDA-PAA面收縮并強(qiáng)化，將兩個(gè)抓手拉到一起。研究人員表示，這種機(jī)制非常強(qiáng)大，能夠舉起重約1克的小物件，且能夠抵抗重力“拿住”物件。

布朗大學(xué)工程系副教授、論文通訊作者Ian Y. Wong表示，“大家都對(duì)能改變形狀并自動(dòng)適應(yīng)不同環(huán)境的材料很感興趣，因此我們展示了一種可以彎曲并重新配置自身以響應(yīng)外部刺激的材料?！?/p>

研究人員同樣表示，該材料更直接的應(yīng)用可能是微流控技術(shù)領(lǐng)域。

水凝膠對(duì)微流控裝置而言是受歡迎的材料，尤其是生物醫(yī)學(xué)測(cè)試應(yīng)用領(lǐng)域。它們像人體組織一樣柔軟且具有彈性，通常是無(wú)毒的。問(wèn)題在于通常難以在微流控裝置中用水凝膠制作復(fù)雜的微通道和腔室。

但是這種新材料，以及它所涵蓋的樂(lè)高積木概念，提供了一種潛在的解決方案。3D打印允許復(fù)雜的微流控結(jié)構(gòu)融入每個(gè)小塊。然后可以使用套接配置，更像是真正的樂(lè)高積木將這些小塊組裝起來(lái)。將離子添加到組裝好的小塊中可以形成防水密縫。

Valentin指出，“模塊化樂(lè)高積木非常有趣，因?yàn)槲覀兛梢詾槲⒘骺匮b置創(chuàng)建預(yù)制工具箱。你可以隨時(shí)使用不同的微流控結(jié)構(gòu)保留各種預(yù)置部件，然后選擇制作自定義微流控鏈路所需的部件。然后將其組裝起來(lái)就可以了?！?/p>

研究人員表示，在使用前長(zhǎng)期存放這些小塊也不成問(wèn)題。

布朗大學(xué)的本科生、論文共同作者Eric DuBois表示，“這項(xiàng)研究測(cè)試用的樣本有些是三個(gè)月或四個(gè)月之前的，因此我們認(rèn)為這些材料可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持可用?！?/p>

研究人員表示他們將致力于研究該材料，未來(lái)可能會(huì)調(diào)整聚合物的性質(zhì)，以獲得更高的耐用性和功能性。