Создан самовосстанавливающийся гидрогель для 3d-печати
Ранее возможность самовосстановления приписывали исключительно живым существам, однако, благодаря новым технологиям, это больше не так. Ученые провели массу исследований по разработке самовосстанавливающихся материалов, которые должны найти применение практически во всех отраслях: от электроники до строительства. Однако при использовании новой разработки в прикладных проектах (робототехника, искусственная человеческая кожа и т.д.), следует обеспечить другие свойства материала, помимо самовосстановления. В частности, речь идет о его электрической проводимости, реализация которой оставалась серьезной проблемой.
До сих пор большинство самовосстанавливающихся материалов были созданы таким образом, чтобы восстановление проходило в ответ на внешние раздражители вроде света, температуры и электричества. Зависимые системы самовосстановления отличаются от живых тканей как раз тем, что для исцеления самих себя, им требуется вмешательство с внешнего мира. Цель современных исследований состоит в том, чтобы создать материалы, способные восстанавливаться без какой-либо помощи. Уже созданы автономные самовосстанавливающиеся материалы, обладающие свойством электропроводности, но им не удалось хорошо зарекомендовать себя из-за отсутствия свойств эластичности, должного уровня чувствительности и объемной электропроводности.
Однако группе исследователей из университета Манитобы удалось разработать новый метод создания самовосстанавливающихся материалов, благодаря которому они стали механически стабильными, получили свойство проводимости и возможность автономного восстановления. Исследование было опубликовано в статье «Многофункциональные автономные проводящие самовосстанавливающиеся гидрогели с чувствительностью к давлению, растяжимостью и возможность 3d-печати». Ученые объясняют, что в новом методе используются поперечные химические и физические связи.
Как сообщается в статье, автономное самовосстановление гидрогеля достигается за счет динамических ионных взаимодействий между карбоксильными группами полиакриловой кислоты и ионами трехвалентного железа. Для поддержания механической структуры гидрогеля используются ковалентная сшиваемость. Соблюдение баланса между физической и химической сшиваемостью, а также проводящая наноструктура полипирольных сетей, позволили создать гидрогель с 3d-проводимостью, механическими и электрическими свойствами самовосстановления (100% механическое восстановление через 2 мин), сверхрастяжением (1500%) и чувствительностью к давлению.
Гидрогель создается в 2 этапа. Полипирол (PPY) связан двойной связью с декорированным хизотаном (DCh), который формирует PPy-содержащий хизотан (DCh-PPy). Мономеры акриловой кислоты (AA) полимеризуются в PPy-содержащем хизотане с помощью ионов железа, которые продуцируют гидрогель. Автономная возможность самовосстановления реализована благодаря обратимым ионным взаимодействиям AA и DCh-PPy.
Исследователи утверждают, что их материал способен полностью восстановить себя в течение 2 минут, а для восстановления 90% электрических свойств понадобится всего полминуты и не понадобится никаких внешних вмешательств. По словам разработчиков, автономная способность к самовосстановлению делает гидрогель идеальным для 3d-печати материалом, среди потенциальных сфер применения которого – робототехника, боимиметические протезы и системы мониторинга состояния здоровья.
«Практический потенциал CSH-гидрогелей касается не только их применения в объемной печати, но и в технологиях опознавания движения», – добавляют исследователи.