Çevresine dinamik olarak yanıt verebilecek yeni bir çift polimer malzeme türü kullanan Brown Üniversitesi araştırmacıları; çeşitli “yumuşak robotik” ve biyomedikal uygulamalarda faydalı olabilecek bir dizi modüler hidrojel bileşeni geliştirdi.
Bir 3D yazıcı tarafından desenlendirilen bileşenler; belirli kimyasallarla işleme tabi tutulmak üzere birlikte bükülme veya birbirine yapışma yeteneğine sahiptir. Araştırmacılar, küçük nesneleri almak için talep üzerine hareket edebilen yumuşak bir kıskaç oluşturdular. Ayrıca; ilaç taraması, hücre kültürleri ve diğer uygulamalar için kullanılan özel mikroakışkan cihazlar; (“çipte laboratuvar”) sistemleri oluşturmak üzere dikkatlice birleştirilip, sıkıca kapatılabilen LEGO benzeri hidrojel yapı taşları tasarladılar.
Araştırmacılar, yeni malzemenin işlevselliğinin anahtarının ikili polimer bileşimi olduğunu söylüyor.
Brown Mühendislik Fakültesi’nde öğrenci Thomas Valentin: “Biri polimer yapısal bütünlük sağlarken, diğeri bükme veya kendinden yapışma gibi, bu dinamik davranışları mümkün kılıyor. Yani ikisini bir araya getirmek, parçalarının toplamından daha büyük bir malzeme yaratıyor.”
Hidrojeller, içindeki polimer telleri birbirine bağlandığında, çapraz bağlanma adı verilen bir işlemle katılaşır. Çapraz bağlanmış polimerleri bir arada tutan iki bağ türü vardır: Kovalent ve iyonik… Kovalent bağlar oldukça güçlüdür, ancak geri dönüşü yoktur. İki şerit kovalent olarak bağlandıktan sonra; ipliği kırmak, bağı kırmaktan daha kolaydır. İyonik bağlar ise o kadar güçlü değiller ama tersine çevrilebilirler. İyonların eklenmesi; (net pozitif veya negatif yüklü atomlar veya moleküller) bağların oluşmasına neden olur. İyonların uzaklaştırılması bağların parçalanmasına yol açar.
Bu yeni malzeme için, araştırmacılar kovalent olarak çapraz bağlanmış PEGDA ve iyonik olarak çapraz bağlanmış bir PAA adı verilen bir polimer birleştirdi. PEGDA’nın güçlü kovalent bağları materyali bir arada tutarken, PAA’nın iyonik bağları tepki verir. Malzemeyi iyon yönünden zengin bir ortama koymak; PAA’nın çapraz bağlanmasına neden olur, yani daha sertleşir ve büzülür. Bu iyonları uzaklaştırın ve iyonik bağlar kırılırken malzeme yumuşar ve şişer. Aynı işlem, istendiğinde malzemenin kendinden yapışkan olmasını da sağlar. İki ayrı parçayı bir araya getirildiğinde, birkaç iyon eklenir ve parçalar birbirine sıkıca tutturulur.
Bu güç ve dinamik davranış kombinasyonu; araştırmacıların yumuşak kıskaçlarını yapmalarına olanak sağladı. Tutucunun “parmaklarının” her birinin bir tarafında saf PEGDA ve diğer tarafında PEGDA-PAA karışımı olacak şekilde desenlediler. İyonların eklenmesi; PEGDA-PAA tarafının büzülüp güçlenmesini sağladı. Bu da iki kıskaç parmağını bir araya getirdi. Araştırmacılar, kurulumun bir gram ağırlığındaki küçük nesneleri kaldıracak ve yerçekimine karşı tutacak kadar güçlü olduğunu gösterdi.
Mühendislik Profesörü Ian Y. Wong: “Şekillerini değiştirebilen ve otomatik olarak farklı ortamlara uyum sağlayabilen malzemelere büyük ilgi var. Yani burada, bir dış uyarıcıya cevap olarak esneyebilen ve yeniden yapılandırabilen bir malzeme gösteriyoruz.”
Ancak araştırmacılar; potansiyel olarak daha acil bir uygulamanın mikroakışkanlarda yapıldığını söylüyor.
Hidrojeller; özellikle biyomedikal testlerde kullanılan mikroakışkan cihazlar için çekici bir malzemedir. İnsan dokusu gibi yumuşak ve esnektirler ve genellikle toksik değildirler. Sorun, hidrojellerin, mikroakışkanlarda ihtiyaç duyulan karmaşık kanallar ve bölmeler ile kalıplanmasının zor olmasıdır.
Ancak bu yeni materyal ve sağladığı LEGO blok konsepti, potansiyel bir çözüm sunuyor. 3D baskı işlemi, karmaşık mikroakışkan yapıların her bir bloğa dahil edilmesine olanak sağlar. Bu bloklar daha sonra gerçek LEGO bloklarına çok benzeyen bir soket konfigürasyonu kullanılarak birleştirilebilir. Toplanan bloklara iyon eklemek, sızdırmazlık sağlar.
Valentin: “Modüler LEGO blokları, mikroakışkan cihazlar için önceden hazırlanmış bir alet kutusu oluşturabilmemiz bakımından ilginçtir. Farklı mikroakışkan mimarileri ile önceden ayarlanmış çeşitli parçaları elinizde tutarsınız ve sonra özel mikroakışkan devresini yapmak için ihtiyaç duyduğunuz şeyleri alırsınız. Onları birlikte iyileştirirsiniz ve çalışmaya hazırdır.”
Araştırmacılar, kullanımdan önce blokları uzun süre depolamak bir sorun gibi görünmüyor.
Araştırmacı Eric DuBois: “Bu çalışma için test ettiğimiz örneklerden bazıları üç veya dört aylıktı. Bu yüzden, bunların uzun süre kullanılabilir kalabileceğini düşünüyoruz.”
Araştırmacılar, daha fazla dayanıklılık ve işlevsellik elde etmek için polimerlerin özelliklerini kullanarak, malzeme ile çalışmaya devam edeceklerini söylüyorlar.
