如果您在厨房柜台上留下了jell-o的立方体，最终它的水将蒸发，留下萎缩，硬质块状 - 几乎没有开胃甜点。水凝胶也是如此。大多数是水，这些明胶样的聚合物材料是拉伸和吸收剂直至它们不可避免地干燥。
现在，MIT的工程师已经找到了一种方法来防止水凝胶免于脱水，具有可能导致更持久的隐形眼镜，弹性微流体装置，柔性生物电体化，甚至人造皮肤的技术。
麻省理工学院机械工程系Robert N. Noyce职业发展副教授赵宣和带领的工程师们设计了一种方法，将水凝胶牢固地结合到弹性体上。弹性体是弹性聚合物，如橡胶和硅酮，它们像水凝胶一样有弹性，但不透水。他们发现，在水凝胶表面涂上一层薄薄的弹性体层可以提供一种防水屏障，使水凝胶保持湿润、灵活和坚固。研究结果发表在今天的杂志上自然通信。
赵说，该小组从人体皮肤中汲取了灵感，这些设计由与底层皮肤层粘合的外表皮层组成。表皮充当了盾牌，保护皮肤和其神经和毛细血管的网络，以及身体的其余部分，从干燥。
该团队的水凝胶 - 弹性体杂交体在设计中类似，实际上比表皮和真皮之间的粘合更难以多次。该团队开发了一种物理模型，以定量引导各种水凝胶弹性体键的设计。此外，研究人员正在探索混合材料的各种应用，包括人造皮肤。在同一纸张中，他们报告了一种将微小通道塑造成混合材料的技术，类似于血管。它们还嵌入了材料中的复杂离子电路以模仿神经网络。
“我们希望这项工作能够为合成皮肤铺平道路，甚至是具有非常柔软，灵活的皮肤具有生物功能的机器人，”赵说。
该论文的主要作者是麻省理工学院研究生Yuk Hyunwoo。合著者包括麻省理工学院(MIT)研究生阿尔贝托·帕拉达(Alberto Parada)、刘欣悦(Xinyue Liu)和前赵团队博士后张腾(Teng Zhang)，现在是雪城大学(Syracuse University)的助理教授。
在皮肤下
2015年12月，赵的团队报告说，他们制定了一种技术，以实现水凝胶的极其稳健的粘合到金属，陶瓷和玻璃等固体表面。研究人员使用该技术将电子传感器嵌入水凝胶中，以创建“智能”绷带。然而，它们发现水凝胶最终会干燥，失去其灵活性。
其他人尝试用盐处理水凝胶以防止脱水，但赵说，这种方法会使水凝胶与生物组织不相容，甚至有毒。相反，研究人员受到皮肤的启发，推断用一种同样有弹性但防水的材料覆盖水凝胶将是防止脱水的更好策略。它们很快就落在了弹性体上，成为理想的涂层，尽管这种橡胶材料有一个主要的挑战:它天生就不能与水凝胶结合。
“大多数弹性体是疏水性的，这意味着它们不喜欢水，”尤克说。“但水凝胶是水的改良版本。所以这些材料不喜欢彼此多，并且通常不能形成良好的粘附性。“
Yuk说，该团队试图利用他们为固体表面开发的技术将这些材料粘合在一起，但对于弹性体来说，水凝胶的粘合“非常脆弱”。在查阅了有关化学键合剂的文献后，研究人员发现了一种可能将水凝胶和弹性体结合在一起的候选化合物:二苯甲酮，它可以通过紫外线(UV)光激活。
在将一薄层弹性体浸入二苯甲酮溶液后，研究人员将处理过的弹性体包裹在一片水凝胶上，并将混合物暴露在紫外线下。他们发现，在干燥的实验室环境中48小时后，混合材料的重量没有变化，这表明水凝胶保留了大部分水分。他们还测量了剥离这两种材料所需的力，发现将它们分开需要1000焦耳每平方米——远远高于剥离真皮表皮所需的力。
“这比皮肤更加艰难，”赵说。“我们也可以将材料延伸到原始长度的七倍，债券仍然持有。”
扩展水凝胶工具集
进一步与皮肤进行比较，该团队设计了一种蚀刻水凝胶 - 弹性体杂交体内的微小通道的方法，以模拟简单的血管网络。它们首先用简单的三通道图案将普通弹性体固化到硅晶片模具上，使用软光刻将图案蚀刻到弹性体上。然后它们在二苯甲酮中浸渍图案化弹性体，在弹性体上铺设一片水凝胶，并暴露两层紫外线。在实验中，研究人员能够通过混合材料中的每个通道流动红色，蓝色和绿色食品着色。
YUK在将来说，杂交 - 弹性体材料可以用作弹性微流体绷带，直接通过皮肤递送药物。
“我们表明我们可以用它作为可拉伸的微流体回路，”尤克说。“在人体中，事情正在移动，弯曲和变形。在这里，我们可能也可以进行微流体，并了解如何在体内的移动部分中表现。“
研究人员还探索了混合材料作为复杂离子电路的潜力。神经网络是这样的电路;皮肤中的神经送离子来回到发信号感觉，如热和疼痛。赵说水凝胶大多由水组成，是离子可以流动的天然导体。他说，加入弹性体层作为绝缘体，防止离子逃逸 - 任何电路的必要组合。
为了使其导电到离子，研究人员将杂化材料淹没在氯化钠的浓缩溶液中，然后将材料连接到LED光。通过将电极放置在材料的任一端，它们能够产生接通光的离子电流。
Yuk说:“我们展示了非常漂亮的电路，它不是由金属制成的，而是由水凝胶制成的，模拟了神经元的功能。”“我们可以拉伸它们，它们仍然保持连接和功能。”
哈佛医学院和马萨诸塞州综合医院的副教授Syun-Hyun Yun表示，水凝胶和弹性体具有不同的物理和化学性质，当合并时可能导致新的应用。
“这是一个挑衅的工作，”云说，云台说，他没有参与研究。“在许多[应用]中，我可以想象植入的智能人造皮，并提供窗户以与身体相互作用，以监测健康，感知病原体和递送毒品。”
接下来，本集团希望进一步测试混合材料在许多应用中的潜力，包括可穿戴电子产品和可靠的药物输送绷带，以及Nondrying，电路嵌入式隐形眼镜。
“最终，我们正试图扩展使用水凝块作为高级工程工具集的论点，”赵说。
该研究部分由海军研究办公室，Draper实验室，MIT纳米技术研究所和国家科学基金会的德拉珀实验室提供资金。
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