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MIT赵选贺团队系统定义《水凝胶机器》
高分子科技 / 时间:2020-02-12 21:14:21

中国聚合物网2月1日讯:含有水分子的聚合物网络被称为水凝胶,它是大部分人体器官的重要组成部分(例如大脑、脊髓、心脏、肌肉、皮肤等)。水凝胶具有优越的柔软度,含水量,响应性,生物相容性和生物活性,已经被广泛应用在组织工程,药物递送和生物科研的平台等。近几年随着新的水凝胶技术的发展,水凝胶被应用于多种机器上,比如传感器,驱动器,表面涂层,光学器件,电子器件,以及集水装置等等(图一)。水凝胶机器(hydrogel machines),这个基于水凝胶作为关键组分的新一代机器,正在成为一个新兴的、快速发展的领域。

 图一 水凝胶广泛应用于载药、组织工程、生物研究,而现在进一步用于构建水凝胶机器。 

近日,麻省理工学院机械工程系赵选贺教授团队在Materials Today上发表题为《水凝胶机器》(Hydrogel Machines)的综述,定义了基于水凝胶材料的新一代机器。并将水凝胶机器根据不同应用,系统地划分为多种类别,包括水凝胶传感器,水凝胶驱动器,水凝胶表面涂层,水凝胶光学器件,水凝胶电子器件,以及水凝胶集水装置等)。针对具体的机器类别,详细讨论了水凝胶机器的基本工作原理,提炼了水凝胶的材料性能参数要求,列举了水凝胶机器现有的科研进展和产品化进程,并建议了水凝胶机器未来发展的方向和挑战。 

由于水凝胶具有高含水量,及其可逆的溶胀/失水过程,令其成为一些集水器的重要元件之一。水凝胶集水器是根据收集淡水的渠道和原理,作者把水凝胶集水器分为三个类别,分别是基于(a)从被污染水源中吸收并去除污染物;(b)从盐水中通过正渗透作用脱盐;(c)从大气水中凝结蒸汽的水凝胶集水器(图七)

 

图七 水凝胶集水器的机理包括污染物去除,正渗透作用脱盐,和蒸汽凝结 

基于当前水凝胶机器这个领域面临的机遇和挑战,作者建议了一系列水凝胶机器未来发展的方向。

在基础材料方面,仍然需要设计水凝胶更优越、更极端的材料性能来满足更高的机器工作效率。针对不同的机器应用,水凝胶材料上也有不同的性能要求。比如,对于水凝胶传感器,要求水凝胶对外界环境有更快速、更灵敏、更精确的响应;对于水凝胶驱动器,要求水凝胶的变形过程具有更高的功率密度和能量密度;对于水凝胶的光学和电学器件,则要求水凝胶具备更高的光电传导效率等等。 

除了以上的六种水凝胶机器,新的基于水凝胶材料的机器也在不断研发中,包括水凝胶声学器件和热学器件。另外,新一代的水凝胶机器将不仅局限于单一的功能,通常集成了多种功能(传感、驱动、界面等),比如基于水凝胶材料的机器人和计算机。

智能化和可编程的水凝胶机器将带来更多的可能。在自然界的生物启发下,水凝胶机器拓宽了设计空间,变得更加智能,和环境交互性更强;一些新兴材料制造方式(包括3D打印,基因编辑等手段)能够实现对水凝胶材料分子和结构上的精细调控,进而能够预先设计水凝胶机器的程序和功能;机器学习的发展也可为水凝胶机器的控制提供优化方案。

水凝胶机器的可靠性、长期稳定性是实际应用中关注的重点之一。水凝胶自身的力学性能(模量、强度、断裂能等),与其他材料粘接后的界面力学性能(界面断裂能)是决定水凝胶机器的稳定性的两个重要因素。特别是当水凝胶承受动态力学载荷时(比如水凝胶作为心脏贴片、软骨替代物),我们需要设计抗疲劳的水凝胶以及与其他材料抗疲劳的粘接性能。在设计稳定水凝胶机器时,环境中的化学、温度、湿度条件对水凝胶的影响(老化,失水,降解)也需要考虑在内。 

最后一点是关于水凝胶机器的产品转化。这是科研工作者也需要逐渐考虑的问题。现有的水凝胶机器相关的科研工作(文章和专利),和真正转化为食品药品管理局批准的临床医用产品或商品仍有一段距离,需要更严格的验证其安全性、有效性、可靠性。原材料的来源、材料和制造成本、市场的大小都是需要考虑的因素。

该综述通讯作者赵选贺博士是MIT终身教授。该综述的作者还包括MIT博士生刘心悦、博士后刘吉(南方科技大学教授)、博士后林少挺。