藻酸酸鹽：潛在的生物醫學和環境用途的新型智能材料

通過將海藻衍生的藻酸酸鹽與納米材料氧化石墨烯結合，布朗大學的研究人員開發出一種耐用且能夠動態響應其環境的新材料。

布朗大學的研究人員已經展示了一種使用氧化石墨烯（GO）為藻酸鹽製成的水凝膠材料添加一些骨架的方法，海藻酸鹽是一種天然材料，來自海藻，目前用於各種生物醫學應用。在發表在Carbon雜誌上的一篇論文中，研究人員描述了一種3D列印方法，用於製造複雜耐用的海藻酸鹽-GO結構，這種結構比單獨使用海藻酸鹽更堅硬，更耐破碎。

「使用藻酸鹽水凝膠的一個限制因素是它們非常脆弱——它們在機械載荷或低鹽溶液中往往會分崩離析。」Thomas Valentin博士說。布朗工程學院的學生領導了這項工作。 「我們展示的是通過包括氧化石墨烯納米片，我們可以使這些結構更加穩健。」

該研究表明，該材料還能夠響應不同的化學處理變得更硬或更柔軟，這意味著它可以用來製造能夠實時對周圍環境做出反應的「智能」材料。此外，藻酸鹽-GO保留了藻酸鹽排斥油的能力，使新材料成為一種堅固的防污塗料。

用於製造材料的3D列印方法稱為立體平版列印術。該技術使用由計算機輔助設計系統控制的紫外激光來追蹤光活性聚合物溶液表面上的圖案。光使聚合物連接在一起，從溶液中形成固體3D結構。重複跟蹤過程，直到從底部向上逐層構建整個對象。在這種情況下，聚合物溶液是使用海藻酸鈉與氧化石墨烯片混合製成的，氧化石墨烯是一種碳基材料，形成一個原子厚的納米片，比鋼更強。

該技術的一個優點是藻酸鈉聚合物通過離子鍵連接。這種粘合強度足以將材料固定在一起，但它們可以通過某些化學處理來破壞。這使材料能夠動態響應外部刺激。此前，布朗大學的研究人員表明，這種「離子交聯」可以用來製造藻酸鹽材料，這種材料可以根據需要降解，當用化學物質處理後迅速溶解，從化學物質的內部結構中清除離子。

對於這項新研究，研究人員希望了解氧化石墨烯如何改變藻酸鹽結構的力學性能。他們發現海藻酸鹽-GO的硬度可以是單獨使用海藻酸鹽的兩倍，並且通過開裂可以抵抗失敗。

「加入氧化石墨烯使藻酸鹽水凝膠與氫鍵結合，」布朗的工程助理教授兼該論文的資深作者Ian Y. Wong說。「我們認為抗裂性是由於裂縫不得不繞過散布的石墨烯片，而不是能夠通過均勻的藻酸鹽破壞。」

額外的硬度使研究人員能夠列印出具有懸垂部分的結構，而單獨使用海藻酸鹽是不可能的。此外，增加的僵硬度也不能阻止海藻酸鹽-GO也能對單獨的藻酸鹽等外部刺激產生反應。研究人員表明，通過將材料浸泡在去除離子的化學物質中，材料會膨脹並變得更柔軟。當離子通過在離子鹽中洗滌而恢復時，材料恢復了它們的剛度。實驗表明，通過改變材料的外部離子環境，可以將材料的剛度調整到500倍以上。

研究人員說，改變其硬度的能力可以使海藻酸鹽-GO在各種應用中發揮作用，包括動態細胞培養。

「你可以想像一個場景，你可以在僵硬的環境中對活細胞進行成像，然後立即改變到更柔和的環境，看看同樣的細胞可能會如何反應。」瓦倫丁說。這可能有助於研究癌細胞或免疫細胞如何通過身體的不同器官遷移。

而且由於藻酸鹽-GO保留了純海藻酸鹽強大的防油性能，新材料可以製成出色的塗層，防止油污和其他污垢在表面積聚。在一系列實驗中，研究人員表明，海藻酸鹽-GO塗層可以防止油在高鹽度條件下污染玻璃表面。研究人員說，這可能使海藻酸鹽-GOG水凝膠對海洋環境中使用的塗料和結構有用。

「這些複合材料可用作海洋中的感測器，可以在溢油過程中保持讀數，或作為防污塗層，有助於保持船體清潔。」Wong說。由石墨烯提供的額外剛度將使這種材料或塗層比單獨的藻酸鹽更耐用。

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