Eine vielseitige Strategie zur Reparatur von Hydrogelnetzwerken

Das Engineering von Wasserstoffbrückenbindungen kann Materialien Dehnbarkeit, Zähigkeit und Selbstheilungseigenschaften verleihen, obwohl die Verstärkungseffekte herkömmlicher Wasserstoffbrückenbindungen aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkungsstärke einschränkend sind. Zum Beispiel können Organismen extremen Bedingungen standhalten aufgrund starker, auf Wasserstoffbrückenbindungen basierender Wechselwirkungen, die durch Trehalose induziert werden. In einem neuen Bericht, der jetzt in veröffentlicht wurde Wissenschaftliche Fortschritte, Zilong Han und ein Team von Wissenschaftlern für intelligente Geräte und technische Mechanik an der Zhejiang-Universität in China, beschrieben eine Methode zur Reparatur von Trehalose-Netzwerken. Sie erreichten dies basierend auf kovalenten Wasserstoffbrückenbindungen, um die mechanischen Eigenschaften von Hydrogelen zu verbessern und ihnen gleichzeitig zu ermöglichen, extreme Bedingungen zu tolerieren, während die synthetische Einfachheit beibehalten wird, die für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich ist. Die Trehalose-modifizierten Hydrogele boten mehrere mechanische Eigenschaften, einschließlich Festigkeit, Dehnbarkeit und Bruchzähigkeit bei einer Reihe von Temperaturen. Nach der Dehydrierung bemerkte das Team die Beibehaltung der Hyperelastizität und behielt die Funktionalität modifizierter Materialien im Vergleich zu nicht modifizierten Materialien bei. Die Methode ist ein vielseitiger Prozess zur Synthese von gut toleranten und hoch dehnbaren zähen Hydrogelen für breite Anwendungen.

Hydrogelnetzwerke und bioinspirierte Fortschritte

Hydrogele sind biokompatible, leitfähige und mechanisch abstimmbare Materialien mit optischer Transparenz, ideal z Gewebezüchtung, Entwicklung von Mikrolinsenals Ionenleiter und für weiche Robotik. Viele Anwendungen verlassen sich auf die Struktur, Stabilität und mechanischen Eigenschaften von Materialien unter einer Vielzahl von Bedingungen, einschließlich Dehydration und niedrigen Temperaturen. Dennoch haben Netzwerkfehler in Hydrogelen erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften was zu ihrem Abbau führt, der durch Wasserkristallisation bei niedrigen Temperaturen verschlimmert werden kann; was zu einer Fehlfunktion solcher materialintegrierter Geräte führt. Aufgrund der bestehenden Lücke zwischen Theorie und Experiment besteht in der Materialwissenschaft ein großes Potenzial zur Reparatur von Mängeln im Hydrogelnetzwerk. Materialwissenschaftler lassen sich oft von der Natur inspirieren, um bioinspirierte Materialien zu entwickeln. Zum Beispiel, Bärtierchen (Bärtierchen) kann extremen Temperaturen standhalten fast vollständige Austrocknung und hohen Drücken, an die sie sich anpassen große Mengen synthetisieren von Trehalose. Trehalose-Moleküle können Biomoleküle über starke Wechselwirkungen zwischen Hydroxidgruppen in Trehalose und polaren Gruppen in Biomolekülen stabilisieren Schutz vor Wasserkristallisation bei niedrigen Temperaturen. Trehalose und seine Derivate sind umweltfreundlich und gutartig, Han et al. wurden daher von ihren einzigartigen Eigenschaften inspiriert, ein wirksames Reparaturmittel für Hydrogele zu bilden, das auf kovalenten Wasserstoffbindungswechselwirkungen basiert, um selbstheilende Eigenschaften zu verleihen.

Trehalose-Netzwerk-Reparaturmethode

Hydrogelnetzwerke behalten eine Vielzahl von Unvollkommenheiten bei, einschließlich Ketten- und Schleifendefekten. Hanet al. zeigte, wie die Zugabe von Trehalose in Polyacrylamid (PAAm) Hydrogele führten zur Bildung starker Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Trehalosemolekülen und polaren Gruppen innerhalb langer Polymerketten. Zwischen Trehalose und dem Hydrogelnetzwerk bestehen viele Wechselwirkungswege. Das Forschungsteam verwendete das „Materials Studio“, um die Wechselwirkungsstärken zwischen Wassermolekülen (WW), Trehalose (TW) und PAAm-Molekülen (PW) im Hydrogel zu untersuchen und die molekularen Strukturen zu simulieren, um darauf basierend die Wechselwirkungsenergien zu berechnen Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die Ergebnisse zeigten, dass die Wechselwirkungsenergie zwischen Trehalose-Wasser (TW) kleiner war als die zwischen Wasser-Wasser und Polymer-Wasser. Auf der Grundlage von DFT-Berechnungen haben Han et al. illustrierte die PT (Polymer-Trehalose-Kombination), um Quadrupol-Wasserstoffbindungen mit einer Wechselwirkungsenergie von –68,36 Kcal/Mol anzuzeigen eine stark kovalente Natur.

Charakterisierungsstudie und Verstärkungseffekte

Das Forschungsteam verwendet Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR)-Spektroskopie und Kernspinresonanz von Protonen (1H-NMR)-Spektren zur Charakterisierung der durch Trehalose induzierten Wasserstoffbrückenbindungen. Sie charakterisierten die Wasserstoffbindungswechselwirkungen im Hydrogel in seinem ursprünglichen hydratisierten Zustand mittels FTIR-Spektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion, um zu verstehen, warum das Hydrogel, das sie der Gefriertrocknung und dem Mahlen unterzogen, nicht mit dem ursprünglichen hydratisierten Zustand identisch wäre. Die Ergebnisse zeigten die Bildung von intermolekularen Wasserstoffbindungen zwischen Trehalose- und PAAm-Ketten. Das Team bestätigte dann die kovalente Natur solcher Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Trehalose und PAAm-Polymeren unter Verwendung von kernmagnetischer Protonenresonanz. Während zusätzlicher Experimente haben Han et al. synthetisierten eine Reihe von Hydrogelen mit einem Verhältnis von 0, 10, 20 und 30 Gewichtsprozent Trehalose zu PAAm-Polymer und charakterisierten ihre mechanischen Eigenschaften durch Messen von Spannungs-Dehnungs-Kurven der gekerbten und intakten Proben. Im Vergleich zu reinen PAAm-Hydrogeln stellte das Team eine deutlich verbesserte Dehnbarkeit und Festigkeit von Hydrogelen fest, die in Lösungen mit unterschiedlichen Trehalosekonzentrationen eingeweicht wurden, während auch der Schermodul erhöht wurde. Über reine Scherversuche berechneten die Wissenschaftler auch die Bruchzähigkeit der Materialien.

Eigenschaften modifizierter Materialien

Hanet al. als nächstes untersuchten sie die Temperatur, Dehydratisierungseigenschaften und allgemeine Anwendungen der Materialien. Da Trehalose Hydrogelen Gefrierschutzeigenschaften verleihen könnte, untersuchten sie das mechanische Verhalten von Trehalose-modifizierten PAAm-Hydrogelen bei niedrigen Temperaturen. Während trehalosefreie PAAm-Hydrogele bei minus 15 Grad Celsius vollständig erstarrten und steif und spröde wurden, behielten die trehalosemodifizierten Hydrogele ihre hohe Dehnbarkeit und Flexibilität. Über reine Scherversuche maß das Team die Bruchzähigkeit der Materialien, die mit zunehmendem Trehalosegehalt zunahm. Um die Übergangstemperatur von einer Aufschlämmung in einen gefrorenen Zustand zu messen, charakterisierte das Team die PAAm-Hydrogele mit unterschiedlichen Bestandteilen mittels dynamischer Scanning-Kalorimetrie und zeigte, wie die Übergangstemperatur mit zunehmendem Trehalosegehalt abnahm.

Anwendungen und Ausblick

Während des Prozesses der Herstellung des modifizierten Hydrogels hat das Team eingeschlossen Ammonium Persulfat als Initiator zur Einführung freier Ionen, einschließlich NH4+, S2O82−, HSO4−, H+ und SO42−, in die Hydrogele, um ihnen eine Leitfähigkeit von etwa 0,32 S/m zu verleihen, die bei niedrigen Temperaturen nicht leitfähig wurde. Die mit Trehalose modifizierten Materialien behielten aufgrund ihrer gefrorenen Natur ihre Leitfähigkeit im Vergleich dazu bei niedrigen Temperaturen. Unter Verwendung der modifizierten Materialien haben Han et al. beleuchtete eine lichtemittierende Diode (LED) bei minus 5 Grad Celsius, während Materialien ohne Trehalose keine ähnliche Kapazität zeigten. Die Leitfähigkeiten zwischen 25 Grad Celsius und minus 15 Grad Celsius nahmen ab, mit erhöhten Massenanteilen an Trehalose, und die modifizierten Hydrogele behielten auch eine gute Leitfähigkeit und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften.

Auf diese Weise entwickelten Zilong Han und Kollegen eine vielseitige Strategie zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften verschiedener Hydrogele, darunter PAAm (Polyacrylamid), PVA (Polyvinylalkohol) und PAAm-Alginat-Hydrogele. Die modifizierten Materialien behielten die synthetische Einfachheit bei, während sie ungünstige Umgebungsbedingungen tolerierten. Trehalose fungierte als Netzwerk-Reparaturmittel, indem es kovalente Wasserstoffbrückenbindungen zwischen sich selbst und den Polymerketten bildete. Folglich stellte das Team mit zunehmendem Trehalose-Gehalt eine deutlich erhöhte Festigkeit, Dehnbarkeit und Bruchzähigkeit der Materialien fest. Die Strategie liefert eine vielseitige Methode zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Hydrogelen unter einer Vielzahl von Bedingungen, um den Anwendungsbereich von Hydrogelen zu erweitern.

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