Brown Üniversitesi araştırmacıları, çeşitli biyomedikal uygulamalarda kullanılan deniz yosunundan türetilmiş doğal bir malzeme olan aljinattan yapılmış hidrojel maddelere omurga eklemek için grafen oksit (GO) kullanmanın bir yolunu gösterdiler. Karbon dergisinde yayınlanan bir makalede, araştırmacılar, tek başına aljinatın çok daha sert ve kırılgan olduğu, karmaşık ve kalıcı aljinat-GO yapıları oluşturmak için 3 boyutlu bir baskı yöntemini ortaya koyuyor.
Çalışmayı yöneten Thomas Valentin “Aljinat, hidrojellerin kullanımında çok kırılgan olmaları sebebiyle sınırlayıcı bir faktördür. Mekanik yük altında veya düşük tuz çözeltilerinde parçalanma eğilimi gösterirler. Geliştirdiğimiz yöntem ile grafen oksit nano yapıları da dahil ederek, bu yapıları daha sağlam hale getirebiliriz.”
Materyal ayrıca, farklı kimyasal tedavilerde kullanılmak üzere daha sert ya da yumuşak hale getirilebilir. Bu da araştırmanın, çevrelerine gerçek zamanlı olarak tepki verebilen “akıllı” materyaller yapmak için kullanılabileceği anlamına gelir. Ayrıca, aljinat-GO, aljinatın yağları itme kabiliyetini koruyarak, yeni malzeme potansiyelini dayanıklı bir antifouling kaplama olarak verir.
Malzemelerin yapımında kullanılan 3 boyutlu baskı yöntemi stereolitografi olarak bilinir. Teknik, fotoaktif polimer çözeltisinin yüzeyindeki paternleri takip etmek için bilgisayar destekli bir tasarım sistemi tarafından kontrol edilen bir ultraviyole lazer kullanır. Işık, polimerlerin birbirine bağlanmasına ve çözeltiden katı 3-D yapıları oluşturmasını sağlar. İzleme işlemi, tüm nesne aşağıdan yukarıya doğru katman katman oluşturuluncaya kadar tekrarlanır. Bu sonucunda polimer çözeltisiden, grafen oksit tabakaları ile karıştırılmış sodyum aljinat kullanılarak, çelikten daha güçlü bir atom kalınlıktaki nano ölçekli bir tabaka olan karbon bazlı bir materyal elde edilmiştir.
Teknikteki avantajlardan biri, sodyum aljinat polimerlerinin iyonik bağlar üzerinden bağlanmasıdır. Bağlar, malzemeyi bir arada tutacak kadar güçlüdür, ancak belirli kimyasal işlemlerle kırılabilirler. Bu, materyale dış uyaranlara dinamik olarak cevap vermebilme yeteneği verir. Daha önce, Brown araştırmacıları, bu “iyonik çapraz bağlama” nın, malzemenin iç yapısından gelen iyonları süpüren bir kimyasalla işlendiğinde hızla çözünen, talep üzerine bozunan aljinat malzemeleri oluşturmak için kullanılabileceğini gösterdi.
Bu yeni çalışma için, araştırmacılar grafen oksitin aljinat yapılarının mekanik özelliklerini nasıl değiştirdiğini görmek istediler. Aljinat-GO’nun tek başına aljinat kadar sert ve çatlama yoluyla başarısızlığa çok daha fazla dirençli olabildiğini göstermişlerdir.
Brown’taki mühendislik profesörü ve makalenin kıdemli yazarı Ian Y. Wong; “Grafen oksit ilavesi, hidrojen ile aljinat hidrojelini stabilize ediyor. Kırılma direncinin, homojen aljinattan hemen ayrılmak yerine, serpiştirilmiş grafen tabakalarının etrafından dolaşmak zorunda kalan çatlaklara bağlı olduğunu düşünüyoruz.”
Ekstra sertlik, araştırmacıların, sadece aljinat kullanarak imkansız olan, sarkan parçalara sahip yapıları basmalarını sağlamıştır. Dahası, artan sertlik, aljinat-GO’nun, tek başına aljinat gibi dış uyaranlara da yanıt vermesini engellememiştir. Araştırmacılar, malzemelerin iyonlarını gideren bir kimyasalda yıkanarak malzemelerin şiştiğini ve daha yumuşak olduklarını gösterdi. İyonik tuzlarda yıkanarak iyonlar restore edildiğinde materyaller sertliklerini geri kazanmıştır. Deneyler, malzemelerin sertliğinin, dış iyonik ortamlarını değiştirerek 500 katına ayarlanabileceğini gösterdi.
Araştırmacılar, dinamik hücre kültürleri de dahil olmak üzere, aljinat-GO’nun sertliğini değiştirebilme yeteneği sayesinde çeşitli uygulamalarda faydalı hale getirilebileceğini ifade etti.
Valentin; “Hücreleri sert bir ortamda görüntüleyebileceğiniz ve sonra aynı hücrelerin nasıl tepki vereceğini görmek için hemen daha yumuşak bir ortama geçebileceğiniz bir senaryo hayal edebilirsiniz. Bu, kanser hücrelerinin veya bağışıklık hücrelerinin vücudun her yerinde farklı organlar boyunca nasıl göç ettikleri konusunda faydalı olabilir.”
Ayrıca aljinat-GO, saf aljinatın güçlü yağ tutmazlık özelliklerini koruduğu için, yeni malzeme, yağ ve diğer kirecin yüzeyler üzerinde birikmesini önlemek için mükemmel bir kaplama yapabilir. Bir dizi deneyde, araştırmacılar aljinat-GO’nun kaplamasının yüksek oranda tuzlu suda yağın cam yüzeyini kirletmesini sağlayabileceğini gösterdi. Araştırmacılar, aljinat-GO hidrojellerinin deniz ortamlarında kullanılan kaplamalar ve yapılar için yararlı olabileceğini söylüyor. Grafenin sağladığı ekstra sertlik, bu malzemeleri veya kaplamaları tek başına aljinattan çok daha dayanıklı hale getirecektir.
Wong, “Bu kompozit malzemeler, okyanusta petrol sızıntısı sırasında okumaya devam edebilen bir sensör olarak veya gemi gövdelerini temiz tutmaya yardımcı zehirli olmayan bir kaplama olarak kullanılabilir.”
Araştırmacılar, yeni malzemeyi denemeye devam etmeyi, üretimini düzene sokmanın yollarını aramayı ve özelliklerini optimize etmeye devam etmeyi planlıyorlar.
