Gli idrogel subiscono inevitabilmente disidratazione, collasso strutturale e deformazione da ritiro a causa dell'evaporazione ininterrotta nell'atmosfera, perdendo così flessibilità, scivolosità e precisione di produzione.
La ricerca, pubblicata sull'International Journal of Extreme Manufacturing , mostra come produrre con alta precisione una sorta di materiale morbido e scivoloso in cui le molecole d'acqua sono soggette a evaporazione ma comunque ben implementate con materiali funzionali strutturati ad alta fedeltà.
Ma la scoperta potrebbe essere anche straordinariamente utile; se vuoi inventare qualcosa di rivoluzionario, spesso il processo inizia con la scoperta di un materiale completamente nuovo.
"In linea di principio, questo apre la strada alla progettazione e alla costruzione di una classe completamente nuova di materie morbide che, umide e lubrificanti, sono facili da modellare e resistenti alla disidratazione in condizioni atmosferiche", ha affermato Xiaolong Wang, professore dello State Key Laboratory di Lubrificazione solida presso l'Istituto di fisica chimica di Lanzhou, Accademia cinese delle scienze e autore senior dello studio.
"In sostanza, suggerisce nuove possibilità per materiali biolubrificanti estremamente significativi e tecnologie di lavorazione ad alta precisione", ha affermato Desheng Liu (assistente di ricerca), il primo autore dell'articolo.
L'idrogel è un tipo di materiale morbido con una struttura di rete reticolata tridimensionale idrofila, che è stata ampiamente applicata nell'ingegneria dei tessuti, nelle medicazioni delle ferite, nei dispositivi indossabili flessibili, nella pelle elettronica e nei robot morbidi grazie alla loro flessibilità, sintonizzabilità meccanica, biocompatibilità , potere lubrificante e così via.
Finora, gli approcci più antichi, come i sali igroscopici e i solventi misti binari acqua-organici, sono stati introdotti negli idrogel sfusi, limitando l’evaporazione dell’acqua in condizioni ambientali aumentando l’entalpia di vaporizzazione dell’acqua. Nonostante la migliore tolleranza alla disidratazione, gli idrogel costruiti con questi mezzi sono inevitabilmente soggetti ad alterare proprietà come bagnabilità, lubrificazione, meccanica e persino idratazione.
Ciò è vantaggioso perché questi materiali sono più flessibili e difficili da lavorare rispetto ai tradizionali materiali duri, ma il problema è che non sono molto stabili; possono perdere la loro flessibilità se esposti all'aria o se la temperatura diventa troppo alta.
Data la struttura biologica della pelle umana per la “ritenzione idrica”, qui i ricercatori riportano una nuova strategia bioispirata che introduce il trealosio nella rete dell’idrogel per formare interazioni di legami idrogeno indotte dal trealosio. L'interazione tra trealosio e acqua può generare uno strato superficiale con tolleranza alla disidratazione nell'atmosfera, che si traduce in idrogel flessibili e scivolosi.
Quindi Liu iniziò a sperimentare alcuni materiali con fattori idratanti naturali scoperti anni fa, ma in gran parte ignorati. Ha trasformato il trealosio in una soluzione acquosa per produrre inchiostri fotosensibili all'idrogel e materiali idrogel strutturati e quindi ha iniziato a testarne le proprietà di essiccazione. Pertanto, il trealosio può anche agire come un efficace agente di ritenzione idrica per gli idrogel introducendo forti interazioni di legami idrogeno per mantenere le proprietà intrinseche nell'atmosfera.
Con stupore degli scienziati, l'introduzione del trealosio nell'idrogel può migliorarne significativamente la resistenza alla disidratazione, le prestazioni di lubrificazione, le proprietà meccaniche e l'accuratezza della produzione. Inoltre, era molto stabile.
"Le forti interazioni di legame idrogeno di tipo covalente formate da numerosi gruppi idrossilici sulla molecola di trealosio e numerosi gruppi polari sulle lunghe catene polimeriche possono conferire duttilità superiore e tolleranza all'essiccazione dell'idrogel scivoloso", ha detto Liu. Ciò è estremamente utile per un dispositivo in materiale morbido e scivoloso che deve funzionare in ambienti reali.
Ma per gli scienziati, la cosa più sorprendente è che il materiale morbido contiene acqua.
“La combinazione della stampa 3D con fotopolimerizzazione in vasca e degli idrogel modificati con trealosio può ottenere vari idrogel stereoscopici con risoluzione desiderabile, geometrie complicate e microarchitetture personalizzabili a livello macroscopico grazie al superamento del restringimento indotto dall’essiccazione e della deformazione del collasso nel processo di produzione”, ha affermato Wang. "Come dimostrazione dimostrativa, è stato creato un fantasma vascolare in idrogel ad alta precisione per imitare l'intervento del filo guida."
Il risultato non ha precedenti per un materiale idrogel scivoloso. "È quasi come la pelle umana:puoi trattenere efficacemente l'umidità per prevenire un'evaporazione eccessiva e possedere quindi una tolleranza favorevole alla disidratazione", ha affermato Wang.
Gli scienziati sono entusiasti perché questa scoperta propone un principio di progettazione fondamentalmente nuovo per la produzione ad alta precisione di materiali idrogel. I fattori di idratazione naturale sono così importanti per i materiali idrogel che quasi ogni nuovo sviluppo di materiali morbidi aprirà nuove frontiere per le tecniche di produzione additiva, hanno spiegato.
Si ritiene che il metodo proposto apra la strada alla produzione di idrogel strutturali su larga scala con tolleranza alla disidratazione nell'atmosfera, ampliando le loro applicazioni in ambienti complessi.
Il team sta anche esplorando le diverse strutture e funzioni che i materiali idrogel possono produrre sfruttando la stampa 3D con fotopolimerizzazione VAT. "Riteniamo di aver proposto una strategia conveniente e versatile adatta alla produzione di idrogel su larga scala con architetture sofisticate in un processo a lungo termine", ha affermato Wang.
Ulteriori informazioni: Desheng Liu et al, Idrogel scivoloso con "pelle" resistente all'essiccamento per la produzione additiva ad alta precisione, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ad1730
Fornito dall'International Journal of Extreme Manufacturing
