布朗大學(xué)的研究人員已經(jīng)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。在發(fā)表在Carbon雜志上的一篇論文中，研究人員描述了一種三維印刷方法，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(dú)使用海藻酸鹽更堅(jiān)硬，更耐破碎。

“使用藻酸鹽水凝膠的一個(gè)限制因素是它們非常脆弱 - 它們?cè)跈C(jī)械載荷或低鹽溶液中往往會(huì)分崩離析，”Thomas Valentin博士說。布朗工程學(xué)院的學(xué)生領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作。“我們展示的是通過包括氧化石墨烯納米片，我們可以使這些結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)健。”

該研究表明，該材料還能夠響應(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(shí)對(duì)周圍環(huán)境作出反應(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(jiān)固的防污涂料。

用于制造材料的3-D印刷方法稱為立體平版印刷術(shù)。該技術(shù)使用由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制的紫外激光來跟蹤光活性聚合物溶液表面上的圖案。光導(dǎo)致聚合物連接在一起，從溶液中形成固體3-D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(gè)對(duì)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(gè)原子厚的納米片，比鋼更強(qiáng)。

該技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是藻酸鈉聚合物通過離子鍵連接。這種粘合強(qiáng)度足以將材料固定在一起，但它們可以通過某些化學(xué)處理來破壞。這使材料能夠動(dòng)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)”可用于制造藻酸鹽材料，這些材料可根據(jù)需要降解，當(dāng)用化學(xué)物質(zhì)處理后迅速溶解，從化學(xué)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中清除離子。

對(duì)于這項(xiàng)新研究，研究人員希望了解氧化石墨烯如何改變?cè)逅猁}結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。他們表明藻酸鹽-GO的硬度可以是單獨(dú)的藻酸鹽的兩倍，并且通過開裂可以抵抗失敗。

“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，該論文的資深作者Ian Y. Wong說。“我們認(rèn)為抗裂性是由于裂縫必須繞過散布的石墨烯片，而不是能夠通過均勻的藻酸鹽破壞。”

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(dú)使用海藻酸鹽是不可能的。此外，增加的僵硬度也不能阻止藻酸鹽-GO也能對(duì)單獨(dú)的藻酸鹽等外部刺激產(chǎn)生反應(yīng)。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(huì)膨脹并變得更柔軟。當(dāng)離子通過離子鹽浴中恢復(fù)時(shí)，材料恢復(fù)了剛度。實(shí)驗(yàn)表明，通過改變材料的外部離子環(huán)境，可以將材料的剛度調(diào)整到500倍以上。

研究人員表示，改變其剛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(dòng)態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)。

瓦倫丁說：“你可以想象一個(gè)場(chǎng)景，你可以在僵硬的環(huán)境中對(duì)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(huì)如何反應(yīng)。” 這可能有助于研究癌細(xì)胞或免疫細(xì)胞如何通過全身的不同器官遷移。

而且由于海藻酸鹽-GO保留了純海藻酸鹽強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中，研究人員表明，藻酸鹽-GO涂層可以防止油在高鹽度條件下污染玻璃表面。研究人員說，這可能使藻酸鹽-GOG水凝膠對(duì)海洋環(huán)境中使用的涂料和結(jié)構(gòu)有用。

“這些復(fù)合材料可以用作海洋中的傳感器，可以在溢油過程中保持讀數(shù)，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剛度將使這種材料或涂層比單獨(dú)的藻酸鹽更耐用。

研究人員計(jì)劃繼續(xù)嘗試新材料，尋找簡(jiǎn)化生產(chǎn)的方法，并繼續(xù)優(yōu)化其性能。