Гидрогелевое волокно
Гидрогелевое волокно представляет собой гидрогель, переведенный в волокнистое состояние, ширина которого значительно меньше длины. гидрогеля Удельная поверхность в волокнистой форме больше, чем у объемного гидрогеля, соответственно изменяются и его механические свойства. В результате этих изменений гидрогелевые волокна имеют более высокую скорость обмена веществ и могут быть вплетены в различные структуры.
Гидрогелевые волокна, набухающие в воде, обычно с низкой токсичностью, могут использоваться в различных биомедицинских целях, таких как носитель лекарств, [ 1 ] оптический датчик, [ 2 ] и привод. [ 1 ]
Но производство гидрогелевых волокон может оказаться сложной задачей, поскольку гидрогель сшит и не может быть придан волокнистой форме после полимеризации. Чтобы перевести гидрогель в волокнистое состояние, раствору прегеля необходимо придать волокнистую форму, а затем сшить, сохраняя эту форму.
Метод производства
[ редактировать ]
Для производства гидрогелевого волокна наиболее важным этапом является затвердевание раствора прегеля. Раствор прегеля необходимо затвердеть, сохраняя при этом свою волокнистую форму. Для достижения этой цели было разработано несколько методов, основанных на химическом сшивании, фазовом превращении, изменении реологических свойств.
На основе физического затвердевания
[ редактировать ]Изменение физических взаимодействий можно использовать для процесса затвердевания, а волокнистое состояние обычно достигается за пределами экструзионного сопла. Из-за обратимости этих физических взаимодействий традиционно требуется последующее сшивание. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
Электропрядение
[ редактировать ]
Гидрогелевое волокно можно получить методом электропрядения , при этом затвердевание происходит за счет испарения растворителя. [ 3 ] Волокнистое состояние создается за счет сочетания электростатического отталкивания и поверхностного натяжения раствора. Но для формирования сшитой сети обычно необходимо последующее сшивание. Одним из преимуществ электроформованного гидрогелевого волокна является то, что оно имеет диаметр в диапазоне от нанометра до микрона, что желательно для быстрого обмена веществ. Однако использование одиночного волокна может оказаться затруднительным из-за слабой механической прочности микроскопического волокна и его запутывания после производства.
Примером этого метода может быть создание из полиакриламида (ПААМ), разработанной Тахчи и др. сети полуинтерпретации [ 3 ] При этом первый линейный ПААМ (обеспечивающий затвердевание) смешивали с мономером ААМ (образовывающим последующую сетку) и сшивающим агентом N , N' -метиленбисакриламидом (МБА). В процессе электропрядения линейный ПААМ обеспечивал необходимые физические свойства для достижения электропрядения, в то время как мономер ААМ и сшивающий агент MBA использовались для формирования второй сшитой сети внутри волокна ПААМ. Хотя между первой и второй сетями не образовалось перекрестных связей, физическое переплетение предотвратит утечку линейного PAAM.
прядение
[ редактировать ]
Благодаря супрамолекулярной химии раствор прегеля может затвердевать за счет обратимых супрамолекулярных взаимодействий, таких как взаимодействие хозяин-гость. [ 4 ] Таким взаимодействием можно управлять с помощью механической силы или температуры. Когда энергия, приложенная к сетке, достаточно высока, точка физической сшивки разрушается и полимер переходит в жидкое состояние. После выхода из сопла сшивка может быстро образоваться для затвердевания раствора.
В качестве примера можно привести химию хозяина и гостя, о которой сообщили Scherman et al. Где образование комплекса включения между кукурбит[8]урилом и 1-бензил-3-винилимидазолий бромидом (BVIm) образовывало физическую точку сшивания сетки. [ 4 ] Образование этой физической точки сшивки контролируется температурой раствора. Путем нагревания раствора и быстрого его охлаждения на экструзионном сопле образуется волокно гидрогеля. Кроме того, выполняется последующее сшивание для формирования перментной сети.
плавление
[ редактировать ]Некоторые гидрофильные полимеры можно превратить в гидрогелевые волокна методом прядения из расплава, при котором затвердевание происходит за счет фазового перехода из расплавленного состояния. [ 5 ] Подобно электропрядению, раствор прегеля оставался в контейнере жидким. Оставив сопло в состоянии нити, волокно затвердело после контакта с холодным окружающим воздухом и сохранило свою форму.
Примером может служить устройство для прядения из расплава, созданное Лонгом и др., в котором из полимолочной кислоты (PLA) и поликапролактона (PCL). достигается прядение из расплава волокна [ 5 ]
Прямое письмо чернилами
[ редактировать ]Подобно технике прядения, техника прямого письма чернилами использовала обратимое физическое затвердевание для производства гидрогелевых волокон. [ 6 ] Раствор прегеля разжижали в процессе разжижения сдвигом, который можно получить путем добавления микроскопических частиц, таких как микрогель. Покинув насадку, гидрогель затвердеет и сохранит свою форму, а сетка после сшивки станет перманентной.
Примером может служить производство волокна, разработанное Льюисом и др. [ 6 ] Фиброин шелка использовался для достижения желаемых свойств истончения при сдвиге. А сетка образовалась при последующей смене растворителя.
Химическая сшивка на основе
[ редактировать ]Подобно физическому затвердеванию, для производства гидрогелевых волокон были разработаны некоторые методы химического сшивания. А ключом к получению гидрогеля методом химической сшивки является эффективное разделение образовавшейся сетки и стенки трубки. [ 1 ]
Микрожидкостное вращение
[ редактировать ]Для производства гидрогелевых волокон было разработано множество методов на основе микрожидкостных устройств. [ 1 ]
Сшивание альгината
[ редактировать ]Одним из наиболее часто используемых методов производства волокон является сшивание альгината натрия CaCl 2 , при котором образовавшийся альгинат кальция будет действовать как точка сшивания, связывая альгинатные цепи вместе с образованием сетки и затвердеванием полимера. Впоследствии это альгинатно-гидрогелевое волокно можно использовать в качестве матрицы для полимеризации вторичных сеток. Кроме того, управляя динамикой жидкости внутри микрожидкостного устройства, можно регулировать диаметр и форму получаемого волокна без внесения изменений в устройства. [ 1 ]
Практикой могло бы стать производство раствора альгината, о котором сообщили Yang et al . [ 7 ] Они использовали альгинат натрия в качестве основной жидкости и CaCl 2 в качестве защитной жидкости. Сшитая сеть (гидрогелевые волокна) образовывалась при встрече этих двух жидкостей, ламинарный поток сохранял свою трубчатую форму во время реакции.
Фотоинициируемая сшивка
[ редактировать ]Для производства волокон также можно использовать другие реакции фотоинициируемой свободнорадикальной полимеризации. [ 1 ] В этом случае защитная жидкость использовалась только для отделения керновой жидкости от стенки трубы. Кроме того, чтобы добиться достаточно быстрого затвердевания, обычно использовали более концентрированный раствор мономера.
Примером может служить производство волокна из 4-гидроксибутилакрилата, о котором сообщили Beebe et al. [ 8 ] Микрофлюидное устройство, которое они использовали, было построено на основе капилляра из этилвинилацетата и каучука ПДМС. Основная жидкость представляла собой смесь 4-гидроксибутилакрилата , акриловой кислоты , диметакрилата этиленгликоля (сшивающий агент), 2,2'-диметокси-2-фенилацетонфенона (фотоинициатор). Оболочная жидкость предназначалась только для разделения. Сшитая сеть образовалась в результате свободнорадикальной полимеризации, когда УФ-свет попал в керновую жидкость.
Полимеризация в трубчатых формах
[ редактировать ]Несмотря на то, что можно производить только короткие гидрогелевые волокна, также можно производить гидрогелевые волокна путем полимеризации гидрогелевой сетки внутри трубчатой формы и сильного выталкивания волокна. [ 9 ] Но трение будет увеличиваться с увеличением длины, и возможны только короткие гидрогелевые волокна.
Примером может служить производство поли(акриламид- сополи (этиленгликоль)диакрилата) волокна, о котором сообщили Yun et al. [ 9 ] Раствор прегеля представлял собой смесь ААМ, поли(этиленгликоль)диакрилата (ПЭГДА, сшивающий агент) и 2-гидрокси-2-метилпропиофенона (фотоинициатор). Смесь вводили в трубчатую форму и затем экстрагировали гидростатической силой.
Самосмазывающийся спиннинг
[ редактировать ]Интересное явление, называемое прядением с самосмазкой, может облегчить извлечение волокна из формы и обеспечить непрерывное производство гидрогелевого волокна из трубчатой формы. [ 10 ] Если во время процесса полимеризации присутствует инертный второй полимер, он будет особенно вытеснен из образовавшейся сетки и сможет перемещаться с относительной легкостью. Линейный полимер на поверхности сшитой сетки также содержит водный растворитель за счет осмического давления, таким образом, образуется смазочный слой. Таким образом, затвердевшее полимерное волокно может выходить из трубы с уменьшенной силой трения, и может быть достигнуто непрерывное производство.
Примером может служить производство гидрогелевого волокна с полувзаимопроникающей сеткой PAAM/PAMPS, о котором сообщили Zhao et al . [ 10 ] Раствор прегеля представлял собой смесь PAMPS, AAM, PEGDA (сшивающий агент) и 2-гидрокси-4'-(2-гидроксиэтокси)-2-метилпропиофенона (фотоинициатор). Раствор прегеля подавали в трубку из ПТФЭ с постоянной скоростью, используя УФ-свет для инициирования реакции.
Методы характеристики
[ редактировать ]Морфология поверхности
[ редактировать ]
Морфологию поверхности и форму поперечного сечения можно наблюдать с помощью изображений сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) после удаления растворителя. [ 1 ] Кроме того, сканирующий электронный микроскоп окружающей среды (ESEM). для наблюдения за влажными волокнами гидрогеля можно использовать [ 10 ] Но различные обработки радикально повлияют на морфологию поверхности гидрогелевого волокна. Если бы волокно гидрогеля сушилось напрямую, поверхность была бы гладкой из-за разрушения полимерной сетки после удаления растворителя. [ 1 ] Если волокно гидрогеля было лиофилизировано, обычно обнаруживается пористая поверхность из-за порообразующего эффекта кристаллов льда. ESEM может напрямую наблюдать морфологию поверхности. Полученное изображение обычно указывает на гладкую поверхность с небольшими морщинами, образовавшимися из-за постепенной потери воды. [ 10 ]
Механические свойства
[ редактировать ]Механические свойства волокон проверяются, но этот процесс может быть сложным по практическим причинам. [ 11 ] Механические свойства проверяются на универсальной испытательной машине путем фиксации волокон гидрогеля между двумя держателями. Однако из-за сжатия держателя волокно гидрогеля может иметь тенденцию к разрыву в точке удержания. [ 11 ] Кроме того, потеря воды во время теста повлияет на полученные данные, и необходимо принять меры предосторожности, чтобы учесть потерю. [ 9 ] А предел прочности гидрогелевого волокна обычно меньше 1 МПа. [ 10 ]
Оптические свойства
[ редактировать ]Оптические свойства проверяются для приложений, связанных с оптическими измерениями. [ 2 ] Это может включать в себя затухание света, показатель преломления, пропускание и т. д. [ 9 ] На эти оптические свойства существенное влияние оказывает состав гидрогеля.
Биосовместимость
[ редактировать ]Тесты на клеточную токсичность проводятся для таких применений, как каркасы для роста клеток. [ 12 ] Выращивая клетку со способностью продуцировать флуоресцентный белок, рост клетки можно контролировать с помощью методов флуоресцентной визуализации.
Приложения
[ редактировать ]Оптоволоконные датчики
[ редактировать ]Прозрачные гидрогелевые волокна можно использовать в качестве оптического волокна, а чувствительные к раздражителям функциональные группы можно прививать для создания оптических датчиков. [ 2 ] Например, в исследовании Yun et al. чувствительная к глюкозе фенилбороновая кислота была привита к полимерной сетке. Когда концентрация глюкозы изменяется, адсорбция фенилбороновой кислоты соответственно изменяется и может быть зарегистрирована с помощью интенсивности света на определенной длине волны.
Аддитивное производство
[ редактировать ]Несмотря на низкую механическую прочность, был предпринят некоторый подход к созданию гидрогелевых волокон текстильными методами. [ 1 ] Кроме того, методы электропрядения, формования из расплава и DIW позволяют напрямую создавать структуры из гидрогелевых волокон более высоких размеров. [ 6 ] [ 13 ] [ 5 ]
Биомедицинские каркасы
[ редактировать ]Гидрогелевое волокно можно использовать для изготовления каркасов для роста клеток и высвобождения лекарств. [ 12 ] [ 1 ]
Приводы
[ редактировать ]Чувствительные к стимулам гидрогелевые волокна можно использовать в качестве приводов и мягких роботов. [ 10 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] Сплетая волокна гидрогеля вместе, можно увеличить силу отдельного волокна. Кроме того, благодаря скольжению между волокнами гидрогеля пятно при изгибе может быть уменьшено, что еще больше повышает производительность. [ 10 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Ду, Сян-Юнь; Ли, Цин; Ву, Гуань; Чен, Су (2019). «Многофункциональные микро/наноразмерные волокна на основе технологии микрофлюидного прядения» . Продвинутые материалы . 31 (52): 1903733. doi : 10.1002/adma.201903733 . ISSN 1521-4095 . ПМИД 31573714 . S2CID 203622435 .
- ^ Jump up to: а б с Го, Цзинцзин; Лю, Синьюэ; Цзян, Нань; Йетисен, Али К.; Юк, Хёну; Ян, Чанси; Хадемосейни, Али; Чжао, Сюаньхэ; Юн, Сок-Хён (2016). «Высокорастягивающиеся, тензочувствительные гидрогелевые оптические волокна» . Продвинутые материалы . 28 (46): 10244–10249. дои : 10.1002/adma.201603160 . ISSN 1521-4095 . ПМК 5148684 . ПМИД 27714887 .
- ^ Jump up to: а б с Бассиль, Мария; Ибрагим, Майкл; Тахчи, Марио Эл (3 мая 2011 г.). «Искусственные мышечные микроволокна: гидрогель с высокоскоростной регулируемой электроактивностью» . Мягкая материя . 7 (10): 4833–4838. Бибкод : 2011SMat....7.4833B . дои : 10.1039/C1SM05131H . ISSN 1744-6848 .
- ^ Jump up to: а б с Мэн, Чжи-Цзюнь; Лю, Цзи; Ю, Цзыи; Чжоу, Хантао; Дэн, Сюй; Абелл, Крис; Шерман, Орен А. (15 апреля 2020 г.). «Вязкоэластичные гидрогелевые микроволокна с использованием кукурбит[8]урил-хозяина – гостевой химии и микрофлюидики» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 12 (15): 17929–17935. дои : 10.1021/acsami.9b21240 . ISSN 1944-8244 . ПМК 7163916 . ПМИД 32176477 .
- ^ Jump up to: а б с д Цинь, Чонг-Чонг; Дуань, Сяо-Пэн; Ван, Ле; Чжан, Ли-Хуа; Ю, Мяо; Донг, Жуй-Хуа; Ян, Сюй; Он, Хун-Вэй; Лонг, Юн-Цзе (28 октября 2015 г.). «Расплавьте электропрядение микроволокон полимолочной кислоты и поликапролактона с помощью ручного генератора Вимшерста» . Наномасштаб . 7 (40): 16611–16615. Бибкод : 2015Nanos...716611Q . дои : 10.1039/c5nr05367f . ISSN 2040-3372 . ПМИД 26419395 .
- ^ Jump up to: а б с Гош, Сураб; Паркер, Сара Т.; Ван, Сяньян; Каплан, Дэвид Л .; Льюис, Дженнифер А. (2008). «Сборка микропериодических шелковых фиброиновых каркасов с прямой записью для приложений тканевой инженерии» . Передовые функциональные материалы . 18 (13): 1883–1889. дои : 10.1002/adfm.200800040 . ISSN 1616-3028 . S2CID 45513103 .
- ^ Чжао, Цзюньи; Сюн, Вэй; Ю, Нин; Ян, Син (январь 2017 г.). «Непрерывная струя альгинатного микроволокна в атмосфере на основе микрофлюидного чипа» . Микромашины . 8 (1): 8. дои : 10.3390/ми8010008 . ПМК 6190460 .
- ^ Чон, Вондже; Ким, Чонюн; Ким, Сунджон; Ли, Санхун; Менсинг, Гленнис; Биб, Дэвид Дж. (29 ноября 2004 г.). «Гидродинамическое микропроизводство посредством фотополимеризации микроволокон и трубок «на лету» . Лаборатория на чипе . 4 (6): 576–580. дои : 10.1039/B411249K . ISSN 1473-0189 . ПМИД 15570368 .
- ^ Jump up to: а б с д Йетисен, Али К.; Цзян, Нань; Фаллахи, Афсун; Монтелонго, Юнуэн; Руис-Эспарса, Гильермо У.; Тамайол, Али; Чжан, Юй Шрайк; Махмуд, Ирам; Ян, Су-А.; Ким, Ки Су; Батт, Хайдер (2017). «Глюкозочувствительные гидрогелевые оптические волокна, функционализированные фенилборной кислотой» . Продвинутые материалы . 29 (15): 1606380. doi : 10.1002/adma.201606380 . ISSN 1521-4095 . ПМК 5921932 . ПМИД 28195436 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Дуань, Сянъюй; Чжу, Ясюнь; Чжэн, Ляо, Цихуа, Юкунь; Хэ, Цзыпань, Ян; Ван, Цюй, Лянти; для «Крупномасштабный подход к производству вязаного гидрогелевого волокна . » роботов мягких 11): 14929–14938. doi : 10.1021/acsnano.0c04382 . ISSN 1936-0851 . PMID 33073577. ( S2CID 224780407 .
- ^ Jump up to: а б , Гоюн; Чэнь, Чжэ; Ван, Пэн; Юй, Цюй, Шаосин (2019). Инь, Тэнхао, Лэй; У, Мао Многофункциональные гидрогелевые волокна с проводящей сердцевиной/оболочкой» . Journal of Polymer Science, часть B: Физика полимеров . 57 (5): 272–280. Бибкод : 2019JPoSB..57..272Y . doi : 10.1002/polb.24781 . ISSN 1099-0488 . S2CID 139776786 .
- ^ Jump up to: а б Шарифи, Фаррох; Патель, Бхавика Б.; Макнамара, Мэрилин С.; Мейс, Питер Дж.; Рогер, Марисса Н.; Руководитель Минчан; Монтазами, Реза; Сакагути, Дональд С .; Хашеми, Николь Н. (22 мая 2019 г.). «Фотосшитые поли(этиленгликоль)диакрилатные гидрогели: от сферических микрочастиц до микроволокон в форме галстука-бабочки» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 11 (20): 18797–18807. дои : 10.1021/acsami.9b05555 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 31042026 . S2CID 206497224 .
- ^ «Электропрядение» , Arc.Ask3.Ru , 07 мая 2021 г. , получено 10 мая 2021 г.
- ^ «Бумага» , Arc.Ask3.Ru , 13 мая 2021 г. , получено 19 мая 2021 г.
- ^ «Целлюлоза» , Arc.Ask3.Ru , 9 мая 2021 г. , получено 19 мая 2021 г.
- ^ Сато, Шуичи; Гондо, Дайки; Вада, Такаюки; Канехаши, Синдзи; Нагай, Казукиё (2013). «Влияние различных жидких органических растворителей на кристаллизацию пленки аморфной полимолочной кислоты, вызванную растворителем» . Журнал прикладной науки о полимерах . 129 (3): 1607–1617. дои : 10.1002/app.38833 . ISSN 1097-4628 .
- ^ «Нетканый материал» , Arc.Ask3.Ru , 17 мая 2021 г. , получено 19 мая 2021 г.