具有潜在生物医学和环境用途的新型“智能”材料

布朗大学的研究人员展示了一种使用氧化石墨烯(GO)为海藻酸盐制成的水凝胶材料添加一些骨架的方法，海藻酸盐是一种来自海藻的天然材料，目前被用于各种生物医学应用。在发表在《碳》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了一种制造复杂耐用的藻酸盐-GO结构的三维打印方法，这种结构比单独的藻酸盐更坚硬，更耐破损。

托马斯瓦伦丁博士说：“使用藻酸盐凝胶的一个限制因素是它们非常脆弱——在机械负荷或低盐溶液中容易分解。”布朗工程学院的学生领导了这项工作。“我们展示的是，我们可以通过包含氧化石墨烯纳米片来使这些结构更加坚固。”

研究表明，这种材料还可以在不同的化学处理中变得更硬或更软，这意味着它可以用来制造能够实时响应周围环境的“智能”材料。此外，藻酸盐-GO保留了藻酸盐排斥油的能力，使这种新材料成为一种强有力的防污涂料。

用于制造材料的3d打印方法被称为立体平版印刷术。该技术利用计算机辅助设计系统控制的紫外激光跟踪光活性聚合物溶液表面的图案。光聚合物连接在一起，从溶液中形成固体3-D结构。重复描摹过程，直到整个物体由下而上一层一层的构建完成。在这种情况下，聚合物溶液是通过混合海藻酸钠和氧化石墨烯片制成的。氧化石墨烯是一种碳基材料，形成原子厚度的纳米片，比钢还要坚固。

这项技术的一个优点是海藻酸钠聚合物通过离子键连接。这种粘合强度足以将材料粘合在一起，但它们可能会被一些化学处理破坏。这使得材料能够动态地响应外部刺激。此前，布朗的研究人员表明，这种“离子交联”可以用于制造藻酸盐材料。这种材料可以根据需要降解，当用化学物质处理时，它会迅速溶解，从化学物质的内部结构中去除离子。

对于这项新的研究，研究人员希望知道氧化石墨烯如何改变海藻酸盐结构的机械性能。他们表明，藻酸盐-GO的硬度可以是单独藻酸盐的两倍，并且可以通过开裂抵抗失效。

“添加氧化石墨烯使藻酸盐凝胶与氢键结合，”布朗的工程学助理教授兼论文高级作者Ian Y. Wong说。“我们认为，抗裂性是因为裂缝必须绕过分散的石墨烯片，而不是被均匀的藻酸盐破坏。”

额外的硬度使研究人员能够打印出带有突出部分的结构，而单独使用藻酸盐是不可能的。此外，增加的硬度不能阻止藻酸盐-GO对外界刺激如单独藻酸盐的反应。研究人员表明，通过将材料浸泡在去除离子的化学物质中，材料会膨胀并变得更柔软。当通过在离子盐中洗涤来回收离子时，材料恢复其刚性。实验表明，通过改变材料的外部离子环境，可以将材料的刚度调节到500倍以上。

研究人员表示，改变其硬度的能力可以使藻酸盐-GO在各种应用中发挥作用，包括动态细胞培养。

瓦伦丁说：“你可以想象这样一个场景，你可以在一个僵硬的环境中对活细胞进行成像，然后立即改变到一个更柔软的环境中，看看相同的细胞可能会做出什么反应。”这可能有助于研究癌细胞或免疫细胞如何通过身体的不同器官迁移。

而且由于海藻酸盐-GO保留了纯海藻酸盐的强防油性能，新材料可以制成一种优异的涂层，防止油和其他污垢在表面堆积。在一系列实验中，研究人员表明，藻酸盐-GO涂层可以防止石油在高盐度下污染玻璃表面。研究人员说，这可能使藻酸盐-GOG水凝胶在海洋环境中使用的涂层和结构中有用。

“这些复合材料可以用作海洋中的传感器，可以在石油泄漏时保持读数，或者用作防污涂层，有助于保持船体清洁，”Wong说。石墨烯提供的额外刚度将使这种材料或涂层比单独的海藻酸盐更耐用。

研究人员计划继续尝试新材料，找到简化生产方法的方法，并继续优化其性能。

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