麻省理工学院工程师已经开发出一种染色糊涂的聚合物材料，称为水凝胶和弹性体，其可用于制造人造皮肤和更持久的隐形眼镜。
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。
了解MIT研究人员设计了一种没有干燥的水凝胶。视频：梅兰妮·戈尼克（Melanie Gonick）/麻省理工学院
由宣和赵的工程师，罗伯特N.Noyce职业发展助理教授在麻省理工学院的机械工程系中设计了一种方法，设计了一种强大地将水凝胶与弹性体粘合的方法 - 弹性聚合物如橡胶和硅氧烷，如水凝胶，且水凝块的橡胶和硅胶一样不透水。他们发现，具有薄弹性体层的涂覆水凝胶提供了水捕屏障，使水凝胶湿润，柔韧，鲁棒。结果在自然通信期刊上发表。
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。该团队在定量地指导各种水凝胶 - 弹性蛋白的设计方面开发了一种神秘的模型。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。
本文的领先作者是麻省理工学院研究生yuk。共同作者包括麻省理工学院研究生德国Alberto Parada和新悦刘和前赵集团Postdoc Teng张，现在是锡拉丘兹大学助理教授。
图（a）显示了水凝胶 - 弹性体微流体芯片的制造过程。图（b）表明，水凝胶 - 弹性体微流体杂交机支持在微流体通道中的化学物质（以不同颜色表示的食物染料代表）的对流，以及水凝胶中的化学物质的扩散，即使在P（C）中所见）。在P（d）中，微流体杂交物用作扩散反应研究的平台。来自两个微流体通道的酸和碱溶液在pH敏感的水凝胶中弥漫，不同颜色的形成区域（酸和碱的紫色紫色紫色）。
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。
其他人试图用盐治疗水凝胶以防止脱水，赵说是有效的，但这种方法可以使水凝胶与生物组织不相容。相反，由皮肤的启发，研究人员推理，涂覆水凝胶与类似地拉伸而且防水的材料涂覆水凝胶是预防脱水的更好策略。他们很快降落在弹性体上作为理想的涂层，尽管橡胶材料带来了一个主要挑战：与水凝胶粘合是固有的抗性。
“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。“
该团队试图使用它们为固体表面开发的技术粘合材料，但是用弹性体，YUK说，水凝胶粘接是“可怕的弱”。在通过化学粘合剂上进行文献之后，研究人员发现了一种可能将水凝胶和弹性体带到一起的候选化合物：二苯甲酮，其通过紫外（UV）光激活。
将薄片弹性体浸入二苯甲酮溶液后，研究人员将处理过的弹性体缠绕在一片水凝胶周围并将杂交物暴露于UV光。他们发现，在干燥的实验室环境中48小时后，杂化材料的重量没有变化，表明水凝胶保留了大部分水分。它们还测量了将两种材料分开所需的力，并发现将它们分开，每平方米需要1,000焦耳 - 远高于从真皮中剥离皮肤表皮所需的力。
“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。
“我们展示了非常漂亮的电路，而不是由金属制成，但水凝胶，模拟神经元的功能，”尤克说。“我们可以伸展它们，他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。
出版物：Hyunwoo Yuk，等，“皮肤激发水凝胶 - 弹性体杂交机，具有鲁棒界面和功能微观结构，”自然通信7，物品编号：12028 DOI：10.1038 / ncomms12028
