Locomozione idrogel regolata dalla luce e dai campi elettrici

22 agosto 2023

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di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Gli scienziati dei materiali mirano a sviluppare materiali autonomi che funzionino oltre l'attuazione reattiva agli stimoli. In un nuovo rapporto pubblicato su Science Advances, Yang Yang e un team di ricerca del Center for Bioinspired Energy Science della Northwestern University, negli Stati Uniti, hanno sviluppato idrogel foto- ed elettro-attivati per catturare e consegnare carichi ed evitare ostacoli nel ritorno.

Per realizzare ciò, hanno utilizzato due monomeri spiropirano (materiali fotocommutabili) nell'idrogel per la rigenerazione delle cariche fotoregolate e i comportamenti autonomi sotto un campo elettrico costante. I materiali foto/elettro-attivi potevano svolgere autonomamente compiti basati su stimoli esterni costanti per sviluppare materiali intelligenti a livello molecolare.

I materiali morbidi con funzionalità simili alla vita hanno applicazioni promettenti come materiali robotici intelligenti in complessi ambienti dinamici, con importanza nelle interfacce uomo-macchina e nei dispositivi biomedici. Yang e i colleghi hanno progettato un idrogel foto- ed elettro-attivato per catturare e consegnare carichi, evitare ostacoli e tornare al punto di partenza, basandosi su stimoli costanti di luce visibile ed elettricità applicata. Queste condizioni costanti fornivano energia per guidare l'idrogel.

Il team di ricerca ha integrato covalentemente unità spiropirano con sostituenti variabili nelle costruzioni per regolare la carica netta dei materiali morbidi. Hanno utilizzato simulazioni a elementi finiti per guidare la progettazione e il movimento degli idrogel carichi e ingegnerizzare profili di superficie tridimensionali per massimizzare l'effetto dielettroforetico. Yang e il team hanno poi studiato ulteriormente lo spettro di locomozione elettroattiva e fotoattuata negli idrogel spiropirano.

Yang e i colleghi hanno utilizzato due diversi molecole di spiropirano con diverse cariche nette. Hanno sintetizzato ciascuna delle molecole con un gruppo metacrilato polymerizzabile sulla base di rapporti esistenti.

Hanno incorporato diverse proporzioni di molecole di spiropirano nelle catene polimeriche di N-isopropilacrilammide (PNIPAM) per formare idrogel. In questo caso, hanno regolato le funzionalità di inversione di carica utilizzando copolimeri delle unità strutturali di spiropirano per mostrare potenziale fotoswitchabile e comportamenti di inversione di carica regolabili. Gli scienziati hanno regolato il tempo di inversione di carica cambiando la proporzione delle due molecole di spiropirano, senza cambiare le velocità di commutazione e recupero.

Sulla base del comportamento di inversione di carica dei polimeri, il team di Yang ha fotosregolato gli idrogel elettroattivi utilizzando un reticolante per prepararli.

Inizialmente, il team ha potuto caricare positivamente l'idrogel per spostarsi verso il catodo sotto un campo elettrico a corrente continua, dove la carica positiva veniva trasferita dalle unità di spiropirano nella rete dell'idrogel. Successivamente, i gruppi solfonato permanentemente legati alla catena polimerica facevano sì che la carica netta della costruzione diventasse negativa, consentendo all'idrogel a carica negativa di tornare all'anodo.

Il team ha studiato le velocità di locomozione elettroattive fotosregolate dei dischi di idrogel attraverso cicli di luce-buio per esaminarne la velocità di locomozione e ha determinato la relazione tra la carica e la velocità dei dischi di idrogel. Ciò si basa sul bilanciamento tra la forza elettrostatica e la forza di resistenza idrodinamica, dove una tensione applicata più elevata e un diametro più grande dei dischi di idrogel fornivano una velocità di locomozione più elevata. Tali dispositivi polimerici sono adatti per catturare e consegnare carichi attraverso la caccia autonoma.

Yang e i colleghi hanno esplorato il potenziale di consegna di carichi delle costruzioni ingegnerizzando idrogel a forma di disco e semplici costruzioni a forma di sfera incorporanti nanoparticelle come carichi. La forte forza dielettroforetica ha permesso ai materiali di svolgere funzioni di caccia e raccolta autonome.

Based on simulations, Yang and colleagues formed a 3-arm spiropyran PNIPAM hydrogel object using photoinitiated free radical polymerization with superior capture capability of the cantilever arms. When uncharged, the electric field gradient around the hydrogel vanished, enabling autonomous cargo release during charge reversal. The cargo release also occurred by turning off the electric field.

The research team showed how materials with a high dielectric constant induced an attractive electrophoretic force, and materials with a lower dielectric constant exerted a repulsive electrophoretic force on the adjacent charged hydrogel object.

Using finite element calculations, they showed the possibility of low dielectric constants to guide the charged hydrogel through obstacles. Under constant stimuli of the electric field and light irradiation, the hydrogel automatically bypassed barriers and traveled back after charge reversal, without human intervention.

In this way, Yang and colleagues designed a photo- and electroactive hydrogel that can cargo capture and deliver, as well as avoid obstacles under constant external stimuli. The scientists used two different ratios of spiropyran moieties in the hydrogel and facilitated the net charge in the chemically random network to be tunable under irradiation with blue light. This enabled photoregulated, electroactive motion with autonomous behavior under the direction of light and electricity.

The autonomous soft matter products elegantly captured and delivered cargo while avoiding obstacles with applications suited for scenarios to ensure the safety of monitoring a situation from afar—for instance, where human intervention is impractical. These new biomaterials with autonomous functionality can be resourcefully engineered using environmentally sensitive electrostatic interactions and photoactuation in soft materials.

Anne Helene Gelebart et al, Making waves in a photoactive polymer film, Nature (2017). DOI: 10.1038/nature22987

Journal information: Science Advances , Nature

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