Hydrogelfiber
Hydrogelfiber är en hydrogel som gjorts till ett fibröst tillstånd, där dess bredd är betydligt mindre än dess längd. Hydrogelens specifika ytarea vid fibrös form är större än den för bulkhydrogelen, och dess mekaniska egenskaper förändrades också i enlighet därmed. Som ett resultat av dessa förändringar har hydrogelfiber en snabbare materialväxlingshastighet och kan vävas in i olika strukturer.
Som ett vattensvällt nätverk med vanligtvis låg toxicitet kan hydrogelfiber användas i en mängd olika biomedicinska tillämpningar som läkemedelsbärare, optisk sensor och ställdon.
Men produktionen av hydrogelfiber kan vara utmanande eftersom hydrogelen är tvärbunden och inte kan formas till ett fibröst tillstånd efter polymerisation. För att göra hydrogel till ett fibröst tillstånd måste pregellösningen göras till fibrös form och sedan tvärbindas samtidigt som denna form bibehålls.
Produktionsmetod
För att producera hydrogelfiber är stelningen av pregellösningen det viktigaste steget. Pregellösningen måste stelna samtidigt som den behåller sin fibrösa form. För att uppnå detta har flera metoder baserade på kemisk tvärbindning, fasförändring, reologisk egenskapsförändring utvecklats.
Fysisk stelning baserad
Förändringar i fysiska interaktioner kan användas för stelningsprocessen, och det fibrösa tillståndet uppnås vanligtvis utanför extruderingsmunstycket. På grund av reversibiliteten av dessa fysiska interaktioner krävs traditionellt efterföljande tvärbindning.
Elektrospinning
Hydrogelfiber kan framställas genom elektrospinning med stelning som sker genom avdunstning av lösningsmedlet. Det fibrösa tillståndet skapas av kombinationen av elektrostatisk repulsion och lösningens ytspänning. Men efterföljande tvärbindning behövs vanligtvis för att bilda ett tvärbundet nätverk. En fördel med elektrospunnen hydrogelfiber är att den har en diameter i intervallet i storleksordningen mellan nm och μm, vilket är önskvärt för snabbt materialutbyte. Användningen av en enkel fiber kan dock vara svår att uppnå på grund av den svaga mekaniska styrkan hos den mikroskopiska fibern och dess trasslingar efter produktion.
Ett exempel på denna metod skulle vara produktionen av polyakrylamid (PAAM) semi-tolkningsnätverk utvecklat av Tahchi et al. Där den första linjära PAAM (som ger stelning) blandades med AAM-monomer (bildar efterföljande nätverk) och tvärbindare N , N' -metylenbisakrylamid (MBA). Under elektrospinningsprocessen gav den linjära PAAM de erforderliga fysiska egenskaperna för att uppnå elektrospinning, medan AAM-monomeren och MBA-tvärbindaren användes för att bilda ett andra tvärbundet nätverk inuti PAAM-fibern. Även om ingen tvärbindning bildades mellan det första och andra nätverket, kommer den fysiska intrasslingen att förhindra linjär PAAM från att läcka.
Drawspinning
Genom supramolekylär kemi kan pregellösning stelna genom reversibla supramolekylära interaktioner som värd-gästinteraktioner. Sådan interaktion kan manipuleras genom den mekaniska kraften eller temperaturen. När energin som utövas på nätverket är tillräckligt hög kommer den fysiska tvärbindningspunkten att bryta och polymeren kommer att vara i flytande tillstånd, efter att ha lämnat munstycket kan tvärbindningen snabbt bildas för att stelna lösningen.
Ett fall skulle vara Host-Guest Chemistry som rapporterats av Scherman et al. Där bildandet av inklusionskomplex mellan Cucurbit[8]uril och 1-bensyl-3-vinylimidazoliumbromid (BVIm) bildade en fysisk tvärbindningspunkt för nätverket. Bildandet av denna fysiska tvärbindningspunkt styrs av lösningens temperatur. Genom att värma upp lösningen och kyla ner den snabbt vid extruderingsmunstycket bildas hydogelfibern. Dessutom utförs efterföljande tvärbindning för att bilda ett permentnätverk.
Smältspinning
En del hydrofil polymer kan göras till hydrogelfiber via smältspinningsmetod, där stelningen sker genom fasövergången från det smälta tillståndet. I likhet med elektrospinningen hölls pregellösningen flytande i behållaren. Efter att ha lämnat munstycket i filamenttillstånd stelnade fibern efter mötet av kall omgivande luft och bibehöll sin form.
Ett exempel skulle vara smältspinningsapparaten byggd av Long et al., där smältspinning av polymjölksyra (PLA) och polykaprolakton (PCL) fiber uppnås.
Direkt bläckskrivning
I likhet med ritspinningstekniken använde den direkta bläckskrivtekniken reversibel fysisk stelning för att producera hydrogelfibrer. Pregellösningen flytande genom skjuvförtunningsprocess som kan genereras genom att tillsätta mikroskopiska partiklar såsom mircrogel. Efter att ha lämnat munstycket kommer hydrogelen att stelna och behålla sin form, och nätverket kommer att permanentas efter tvärbindning.
Ett exempel skulle vara produktionen av fibern utvecklad av Lewis et al. Där silkesfibroin användes för att generera de önskade skjuvförtunnande egenskaperna. Och nätverket bildades när lösningsmedlet senare byttes ut.
Kemisk tvärbindningsbaserad
I likhet med fysisk stelning har vissa kemiska tvärbindningsmetoder utvecklats för att producera hydrogelfibrer. Och nyckeln för att uppnå hydrogelproduktion genom den kemiska tvärbindningsmetoden är den effektiva separationen mellan det bildade nätverket och rörväggen.
Mikrovätska snurrar
Många mikrofluidenhetsbaserade metoder har utvecklats för att producera hydrogelfibrer.
Tvärbindning av alginat
En av de mest använda metoderna för produktion av fibrer är tvärbindningen av natriumalginat med CaCl2, där det bildade kalciumalginatet kommer att fungera som tvärbindningspunkten för att länka samman alginatkedjorna för att bilda nätverket och stelna polymeren. Efteråt kan denna alginathydrogelfiber användas som mall för polymerisation av sekundära nätverk. Dessutom, genom att kontrollera vätskedynamiken inuti mikrovätskeanordningen, kan diametern och formen på den resulterande fibern ställas in utan att modifiera anordningarna.
En praxis skulle vara produktion av alginatlösning som rapporterats av Yang et al . De använde natriumalginatet som kärnvätska och CaCl 2 som skyddsvätska, det tvärbundna nätverket (hydrogelfiber) bildades när dessa två vätska möttes, det laminära flödet behöll sin rörformade form under reaktionen.
Fotoinitierad tvärbindning
Andra fotoinitierade friradikalpolymerisationsreaktioner kan också användas för fiberproduktion. I detta fall användes skyddsvätskan endast för att separera kärnvätskan från rörväggen. För att uppnå stelningen tillräckligt snabbt användes vanligtvis en mer koncentrerad monomerlösning.
Ett exempel skulle vara produktionen av 4-hydroxibutylakrylatfiber som rapporterats av Beebe et al. Mikrovätskeanordningen som de använde byggdes med etylvinylacetatkaplliär och PDMS-gummi. Kärnvätskan var en blandning av 4-hydroxibutylakrylat , akrylsyra , etylenglykoldimetakrylat (tvärbindare), 2,2'-dimetoxi-2-fenyl-acetonfenon (fotoinitiator). Mantelvätskan var endast för separation. Det tvärbundna nätverket bildades genom friradikalpolymerisation när UV-ljuset mötte kärnvätskan.
Polymerisation i rörformade formar
Även om man endast kan producera korta hydrogelfibrer, kan produktion av hydrogelfiber genom polymerisering av hydrogelnätverket inuti en rörformad form och trycka ut fibern med kraft också uppnås. Men friktionen kommer att öka med den ökande längden, och endast korta hydrogelfibrer är möjliga.
Ett fall skulle vara produktionen av poly(akrylamid- co -poly(etylenglykol) diakrylat) fiber som rapporterats av yun et al. Pregellösningen var en blandning av AAM, poly(etylenglykol)-diakrylat (PEGDA, tvärbindare) och 2-hydroxi-2-metylpropiofenon (fotoinitiator). Blandningen injicerades i en rörform och extraherades genom hydrostatisk kraft efteråt.
Självsmörjande spinning
Ett intressant fenomen som kallas självsmörjande spinning kan underlätta urformningen av fibern och möjliggör kontinuerlig produktion av hydrogelfiber från rörformig form. Under polymerisationsprocessen, om en inert andra polymer är närvarande, kommer den särskilt att drivas ut från det bildade nätverket och kunna röra sig med relativ lätthet. Den linjära polymeren på ytan av det tvärbundna nätverket innehåller också vattenlösningsmedel på grund av det osmiska trycket, sålunda bildas ett smörjskikt. Därför kan den stelnade polymerfibern lämna röret med minskad friktionskraft och kontinuerlig produktion kan uppnås.
Ett exempel skulle vara produktionen av PAAM/PAMPS semi-interpenetration nätverkshydrogelfiber som rapporterats av Zhao et al . Pregellösningen var blandningen av PAMPS, AAM, PEGDA (tvärbindare) och 2-hydroxi-4'-(2-hydroxietoxi)-2-metylpropiofenon (fotoinitiator). Pregellösningen matades in i ett PTFE-rör med konstant hastighet, varvid UV-ljus användes för att initiera reaktionen.
Karakteriseringsmetoder
Ytmorfologi
Ytmorfologin och formen på tvärsnittet kan observeras via svepelektronmikroskop (SEM) avbildning efter avlägsnande av lösningsmedel. Dessutom miljösvepelektronmikroskop (ESEM) användas för att observera våta hydrogelfibrer. Men olika behandlingar kommer att påverka hydrogelfiberns ytmorfologi drastiskt. Om hydrogelfibern torkades direkt skulle en slät yta erhållas på grund av kollapsen av polymernätverket efter avlägsnandet av lösningsmedlet. Om hydrogelfibern lyofiliserades, kommer vanligtvis en porös yta att hittas på grund av den porbildande effekten av iskristallen. ESEM kan direkt observera ytmorfologin. Den resulterande bilden indikerar vanligtvis en slät yta med några skrynkliga bildade på grund av den gradvisa förlusten av vatten.
Mekaniska egenskaper
Fibrernas mekaniska egenskaper testas, men processen kan vara knepig av praktiska skäl. De mekaniska egenskaperna testas med Universal Test Machine genom att fästa hydrogelfibrerna mellan två hållare. Men på grund av hållarens kompress kan hydrogelfiber ha en trend att gå sönder vid hållpunkten. Dessutom kommer förlusten av vatten under testet att påverka de resulterande data, och försiktighetsåtgärder måste vidtas för att meditera förlusten. Och draghållfastheten hos hydrogelfibern är vanligtvis mindre än 1 MPa.
Optiska egenskaper
Optiska egenskaper testas för optiska avkänningsrelaterade applikationer. Detta kan innefatta ljusdämpning, brytningsindex, transmission, etc. Dessa optiska egenskaper påverkas avsevärt av hydrogelens sammansättning.
Biokompatibilitet
Celltoxicitetstester utförs för applikationer som celltillväxtställningar. Genom att odla cellen med förmågan att producera fluorescerande protein kan tillväxten av cellen övervakas med fluorescerande avbildningstekniker.
Ansökningar
Optiska fibersensorer
Transparenta hydrogelfibrer kan användas som optisk fiber, och stimuli-känsliga funktionella grupper kan ympas på för att skapa optiska sensorer. Till exempel, i forskningen gjord av Yun et al. den glukoskänsliga fenylboronsyran ympades på polymernätverket. När glukoskoncentrationen ändras kommer adsorptionen av fenylboronsyran att ändras i enlighet med detta och kan registreras med ljusintensiteten vid en viss våglängd.
Tillverkning av tillsatser
Även om de lider av dålig mekanisk hållfasthet, har vissa metoder gjorts för att konstruera hydrogelfiber med textila metoder. Dessutom kan den elektrospunna, smältspunna, DIW-metoden producera hydrogelfiberstrukturer vid högre dimensioner direkt.
Biomedicinska ställningar
Hydrogelfiber kan användas för att tillverka ställningar för celltillväxt och läkemedelsfrisättning.
Ställdon
Stimuli-känsliga hydrogelfibrer kan användas som ställdon och mjuka robotar. Genom att fläta ihop hydrogelfibern kan kraften hos den enda fibern förstoras. På grund av glidningen mellan hydrogelfibrerna kan fläcken av böjningen reduceras för att ytterligare förbättra prestandan.