具有微通道圖案的樂高狀水凝膠構(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)麥姆斯咨詢報道，布朗大學(xué)（Brown University）的研究人員使用一種能夠動態(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)動拾取小物件。他們也設(shè)計了類似樂高的水凝膠積木，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“芯片實驗室”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，水凝膠會固化，該過程被稱為交聯(lián)。有兩種類型的鍵合可將交聯(lián)聚合物整合起來：共價鍵和離子鍵。共價鍵相當(dāng)強(qiáng)大，但不可逆轉(zhuǎn)。一旦兩條鏈共價連接，斷裂鏈會比破壞鍵更容易。另一方面，離子鍵沒那么強(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，去除離子則會導(dǎo)致鍵的分離。

針對這種新材料，研究人員將一種共價交聯(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)境中會導(dǎo)致PAA交聯(lián)，意味著該材料會變得更堅硬并收縮。將離子撤走，隨著離子鍵斷裂，該材料又會軟化并膨脹。相同的方法也使得材料在需要時能夠自粘。將兩個單獨(dú)的部件放在一起，添加一些離子，這些部件就會緊密地連接在一起。

這種強(qiáng)度和動態(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，“大家都對能改變形狀并自動適應(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。”

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。

水凝膠對微流控裝置而言是受歡迎的材料，尤其是生物醫(yī)學(xué)測試應(yīng)用領(lǐng)域。它們像人體組織一樣柔軟且具有彈性，通常是無毒的。問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)融入每個小塊。然后可以使用套接配置，更像是真正的樂高積木將這些小塊組裝起來。將離子添加到組裝好的小塊中可以形成防水密縫。

Valentin指出，“模塊化樂高積木非常有趣，因為我們可以為微流控裝置創(chuàng)建預(yù)制工具箱。你可以隨時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。然后將其組裝起來就可以了。”

研究人員表示，在使用前長期存放這些小塊也不成問題。

布朗大學(xué)的本科生、論文共同作者Eric DuBois表示，“這項研究測試用的樣本有些是三個月或四個月之前的，因此我們認(rèn)為這些材料可以在很長一段時間內(nèi)保持可用?！?/p>

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