I ricercatori della Brown University hanno creato un materiale ibrido a partire da alginato derivato da alghe e dal nanomateriale di ossido di grafene. La tecnica di stampa 3D utilizzata per realizzare il materiale consente la creazione di strutture complesse, compreso quello sopra, che imita quel reticolo atomico un grafene. Credito:Wong Lab/Brow University
I ricercatori della Brown University hanno mostrato un modo per utilizzare l'ossido di grafene (GO) per aggiungere un po' di spina dorsale ai materiali idrogel a base di alginato, un materiale naturale derivato da alghe che è attualmente utilizzato in una varietà di applicazioni biomediche. In un articolo pubblicato sulla rivista Carbonio , i ricercatori descrivono un metodo di stampa 3D per realizzare strutture in alginato-GO complesse e durevoli che sono molto più rigide e resistenti alla frattura rispetto al solo alginato.
"Un fattore limitante nell'uso degli idrogel di alginato è che sono molto fragili:tendono a sfaldarsi sotto carico meccanico o in soluzioni a basso contenuto di sale, " ha detto Thomas Valentin, un dottorato di ricerca studente della Brown's School of Engineering che ha guidato il lavoro. "Ciò che abbiamo mostrato è che includendo nanofogli di ossido di grafene, possiamo rendere queste strutture molto più robuste."
Il materiale è anche in grado di diventare più rigido o più morbido in risposta a diversi trattamenti chimici, il che significa che potrebbe essere utilizzato per realizzare materiali "intelligenti" in grado di reagire all'ambiente circostante in tempo reale, la ricerca mostra. Inoltre, alginate-GO mantiene la capacità dell'alginato di respingere gli oli, conferendo al nuovo materiale il potenziale come robusto rivestimento antivegetativo.
Il metodo di stampa 3D utilizzato per realizzare i materiali è noto come stereolitografia. La tecnica utilizza un laser ultravioletto controllato da un sistema di progettazione assistito da computer per tracciare modelli sulla superficie di una soluzione polimerica fotoattiva. La luce fa sì che i polimeri si leghino tra loro, formando strutture 3D solide dalla soluzione. Il processo di tracciamento viene ripetuto fino a quando un intero oggetto non viene costruito strato per strato dal basso verso l'alto. In questo caso la soluzione polimerica è stata realizzata utilizzando alginato di sodio miscelato con fogli di ossido di grafene, un materiale a base di carbonio che forma nanofogli dello spessore di un atomo che sono più resistenti dell'acciaio.
Un vantaggio della tecnica è che i polimeri di alginato di sodio si legano attraverso legami ionici. I legami sono abbastanza forti da tenere insieme il materiale, ma possono essere rotti da alcuni trattamenti chimici. Ciò conferisce al materiale la capacità di rispondere dinamicamente agli stimoli esterni. In precedenza, i ricercatori Brown hanno dimostrato che questa "reticolazione ionica" può essere utilizzata per creare materiali alginati che si degradano su richiesta, dissolvenza rapida quando trattata con una sostanza chimica che spazza via gli ioni dalla struttura interna del materiale.
Per questo nuovo studio, i ricercatori volevano vedere come l'ossido di grafene potesse modificare le proprietà meccaniche delle strutture di alginato. Hanno dimostrato che l'alginato-GO può essere reso due volte più rigido dell'alginato da solo, e molto più resistente alla rottura per fessurazione.
I ricercatori della Brown University hanno creato un materiale ibrido a partire da alginato derivato da alghe e dal nanomateriale di ossido di grafene. Il materiale è estremamente oleorepellente, rendendolo potenzialmente utile come rivestimento antivegetativo durevole. Credito:Wong Lab / Brown University
"L'aggiunta di ossido di grafene stabilizza l'idrogel di alginato con legami idrogeno, " ha detto Ian Y. Wong, un assistente professore di ingegneria alla Brown e autore senior del documento. "Pensiamo che la resistenza alla frattura sia dovuta alle crepe che devono deviare attorno ai fogli di grafene intercalati piuttosto che essere in grado di rompere l'alginato giusto anche se omogeneo".
La rigidità extra ha permesso ai ricercatori di stampare strutture che avevano parti sporgenti, che sarebbe stato impossibile usando solo alginato. Inoltre, l'aumento della rigidità non ha impedito all'alginato-GO di rispondere anche agli stimoli esterni come può fare l'alginato da solo. I ricercatori hanno dimostrato che bagnando i materiali in una sostanza chimica che rimuove i suoi ioni, i materiali si sono gonfiati e sono diventati molto più morbidi. I materiali hanno riacquistato la loro rigidità quando gli ioni sono stati ripristinati attraverso il bagno in sali ionici. Gli esperimenti hanno mostrato che la rigidità dei materiali può essere regolata su un fattore di 500 variando il loro ambiente ionico esterno.
Questa capacità di modificare la sua rigidità potrebbe rendere l'alginato-GO utile in una varietà di applicazioni, dicono i ricercatori, comprese le colture cellulari dinamiche.
"Potresti immaginare uno scenario in cui puoi immaginare le cellule viventi in un ambiente rigido e poi passare immediatamente a un ambiente più morbido per vedere come potrebbero rispondere le stesse cellule, " ha detto Valentin. Ciò potrebbe essere utile per studiare come le cellule tumorali o le cellule immunitarie migrano attraverso diversi organi in tutto il corpo.
E poiché l'alginato-GO mantiene le potenti proprietà oleorepellenti dell'alginato puro, il nuovo materiale potrebbe costituire un rivestimento eccellente per evitare che olio e altra sporcizia si accumulino sulle superfici. In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che un rivestimento di alginato-GO potrebbe impedire all'olio di sporcare la superficie del vetro in condizioni altamente saline. Ciò potrebbe rendere gli idrogel alginato-GO utili per rivestimenti e strutture utilizzate in ambienti marini, dicono i ricercatori.
"Questi materiali compositi potrebbero essere utilizzati come un sensore nell'oceano che può continuare a rilevare le letture durante una fuoriuscita di petrolio, o come rivestimento antivegetativo che aiuta a mantenere puliti gli scafi delle navi, " Ha detto Wong. La rigidità extra offerta dal grafene renderebbe tali materiali o rivestimenti molto più durevoli del solo alginato.
I ricercatori hanno in programma di continuare a sperimentare con il nuovo materiale, cercando modi per ottimizzare la sua produzione e continuare a ottimizzare le sue proprietà.
