Les scientifiques des matériaux visent à développer des matériaux autonomes qui fonctionnent au-delà de l’actionnement réactif aux stimuli. Dans un nouveau rapport en Avancées scientifiquesYang Yang et une équipe de recherche du Center for Bioinspired Energy Science de la Northwestern University, aux États-Unis, ont développé des hydrogels photo- et électro-activés pour capturer et livrer des marchandises et éviter les obstacles au retour.
Pour ce faire, ils ont utilisé deux monomères de spiropyrane (matériaux photocommutables) dans l’hydrogel pour une inversion de charge photorégulée et des comportements autonomes sous champ électrique constant. Les matériaux photo/électroactifs pourraient effectuer de manière autonome des tâches basées sur des stimuli externes constants pour développer des matériaux intelligents à l’échelle moléculaire.
Bio-ingénierie d’un hydrogel chargé
Les matériaux souples dotés de fonctionnalités réalistes ont des applications prometteuses en tant que matériaux robotiques intelligents dans des environnements dynamiques complexes avec une importance dans interfaces homme-machine et dispositifs biomédicaux. Yang et ses collègues ont conçu un hydrogel photo-activé et électro-activé pour capturer et livrer la cargaison, éviter les obstacles et revenir à son point de départ, sur la base de stimuli constants de lumière visible et d’électricité appliquée. Ces conditions constantes ont fourni de l’énergie pour guider l’hydrogel.
L’équipe de recherche a intégré de manière covalente des fragments de spiropyrane avec différents substituants dans les constructions pour réguler la charge nette des matériaux mous. Ils ont utilisé des simulations par éléments finis pour guider la conception et le mouvement des hydrogels chargés et ont conçu des profils de surface 3D pour maximiser l’effet diélectrophorétique. Yang et l’équipe ont étudié plus en détail la portée de la locomotion électroactive et photoactionnement dans les hydrogels de spiropyrane.
Stabilité géométrique des disques d’hydrogel de spiropyrane de différents diamètres sous irradiation lumineuse. Crédit: Avancées scientifiquesdoi : 10.1126/sciadv.adi4566
Inversion de charge des polymères fonctionnalisés par le spiropyrane
Yang et ses collègues ont utilisé deux molécules de spiropyrane différentes avec des charges nettes différentes. Ils ont synthétisé chacune des molécules avec un groupe méthacrylate polymérisable à base de rapports existants.
Ils ont incorporé différents ratios de molécules de spiropyrane dans N-isopropylacrylamide chaînes polymères (PNIPAM) former des hydrogels. Dans ce cas, ils ont ajusté les fonctionnalités d’inversion de charge à l’aide de copolymères d’unités structurelles de spiropyrane pour montrer des comportements de potentiel photocommutable et d’inversion de charge avec une charge réglable. Les scientifiques ont réglé le temps d’inversion de charge en modifiant le rapport des deux fragments de spiropyrane, sans modifier les taux de commutation et de récupération.
Mouvement électroactif photo-activé des hydrogels spiropyrane-PNIPAM
Sur la base du comportement d’inversion de charge des polymères, l’équipe de Yang a photorégulé les hydrogels électroactifs en utilisant un agent de réticulation pour les préparer.
Dans un premier temps, l’équipe a pu charger positivement l’hydrogel pour le déplacer vers la cathode sous une pression négative. champ électrique à courant continu, où la charge positive est transférée des fragments spiropyrane au réseau d’hydrogel. Par la suite, la liaison permanente groupes sulfonates sur la chaîne polymère rendait la charge nette de la construction négative, permettant à l’hydrogel chargé négativement de retourner vers l’anode.
Évitement autonome des obstacles des barrières à faible k et fonction de retour par l’objet hydrogel à trois bras sous champ électrique constant et irradiation lumineuse. Crédit: Avancées scientifiquesdoi : 10.1126/sciadv.adi4566
L’équipe a étudié les vitesses de locomotion électroactive photorégulées des disques d’hydrogel sur plusieurs cycles lumière-obscurité pour examiner leur vitesse de locomotion et déterminé la relation entre la charge et la vitesse des disques d’hydrogel. Ils ont basé cela sur l’équilibre entre la force électrostatique et la force de traînée hydrodynamique, où la tension appliquée plus élevée et le diamètre plus grand des disques d’hydrogel permettaient une vitesse de locomotion plus élevée. De tels dispositifs polymères sont bien adaptés pour capturer et livrer des marchandises grâce à une chasse autonome.
Capturer et livrer des marchandises
Yang et ses collègues ont exploré le potentiel de livraison de marchandises des constructions en concevant de simples hydrogels spiropyrane-PNIPAM en forme de disque et des constructions en forme de sphère contenant des nanoparticules comme cargaisons. La forte force diélectrophorétique a permis aux matériaux de subir des fonctions autonomes de chasse et de ramassage.
Sur la base de simulations, Yang et ses collègues ont formé un objet hydrogel spiropyrane PNIPAM à 3 bras en utilisant polymérisation radicalaire photoinitiée avec une capacité de capture supérieure des bras en porte-à-faux. Lorsqu’il n’est pas chargé, le gradient de champ électrique autour de l’hydrogel disparaît, permettant une libération autonome de la cargaison lors de l’inversion de charge. La libération de la cargaison s’est également produite en coupant le champ électrique.
Éviter automatiquement les obstacles
L’équipe de recherche a montré comment les matériaux à haute constante diélectrique induit une force électrophorétique attractive, et les matériaux avec une constante diélectrique inférieure exercent une force électrophorétique répulsive sur l’objet hydrogel chargé adjacent.
En utilisant calculs par éléments finis, ils ont montré la possibilité de faibles constantes diélectriques pour guider l’hydrogel chargé à travers les obstacles. Sous des stimuli constants du champ électrique et de l’irradiation lumineuse, l’hydrogel a automatiquement contourné les barrières et est revenu après inversion de charge, sans intervention humaine.
Perspectives
De cette manière, Yang et ses collègues ont conçu un hydrogel photo- et électroactif capable de capturer et de livrer des marchandises, ainsi que d’éviter les obstacles sous des stimuli externes constants. Les scientifiques ont utilisé deux rapports différents de fragments de spiropyrane dans l’hydrogel et ont permis à la charge nette dans le réseau chimiquement aléatoire d’être réglable sous irradiation avec de la lumière bleue. Cela a permis un mouvement électroactif photorégulé avec un comportement autonome sous la direction de la lumière et de l’électricité.
Les produits autonomes à matière molle ont capturé et livré avec élégance des marchandises tout en évitant les obstacles avec des applications adaptées aux scénarios pour garantir la sécurité de la surveillance d’une situation à distance, par exemple lorsque l’intervention humaine est peu pratique. Ces nouveaux biomatériaux dotés de fonctionnalités autonomes peuvent être conçus de manière ingénieuse en utilisant des interactions électrostatiques sensibles à l’environnement et le photoactionnement dans des matériaux souples.
Plus d’information:
Yang Yang et al, Locomotion autonome d’hydrogel régulée par la lumière et les champs électriques, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adi4566
Anne Helene Gelebart et al, Faire des vagues dans un film polymère photoactif, Nature (2017). DOI : 10.1038/nature22987
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