Fiação microfluídica assistida por hidrogel de fibras elásticas via autoadaptação fluídica e interfacial
Método HAMS. (A) Esquema da plataforma de fiação microfluídica assistida por hidrogel (HAMS). (B) Esquema mostrando a formação de uma fibra de núcleo/casca SOP/hidrogel por meio de autoadaptações fluídicas (equalização da velocidade de fluxo) e interfaciais (deformação e estabilização da interface). A largura e a direção das setas cinza indicam as velocidades de fluxo do SOP, da solução de alginato de sódio e da solução de CaCl2. (C) Esquemas mostrando as estratégias de fabricação e algumas demonstrações de aplicação de fibras baseadas em SOP. (D a F) Fotografias de (D) uma fibra SYLGARD 184 PDMS/hidrogel, (E) uma fibra núcleo/casca após a cura do fluxo do núcleo e (F) uma fibra SYLGARD 184 PDMS após a remoção da casca de hidrogel (barras de escala, 1 mm). (G) Fotografias de fibras contínuas SYLGARD 184 PDMS com diferentes diâmetros (D) e comprimentos longos (L) (barra de escala, 2 cm). (H) Imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) dessas duas fibras (barra de escala, 1 mm). (I) Imagens SEM de alta ampliação na superfície de uma fibra SYLGARD 184 PDMS (barra de escala, 20 μm). (J) Fotografias dos cortes dessas duas fibras (barra de escala, 1 mm). Avanços da Ciência, doi:10.1126/sciadv.adj5407 As fibras poliméricas extensíveis têm um impacto significativo, embora a sua produção exija métodos ambientais rigorosos e consumo de recursos. O processo é desafiador para polímeros elásticos com capacidade de fiação reduzida e alto desempenho, como silicones, polidimetilsiloxano e ecoflex.
Guoxu Zhao e uma equipe de cientistas em engenharia médica, ciência de materiais e ciências biológicas na China apresentaram um método de fiação microfluídica assistida por hidrogel para enfrentar esses desafios, o que eles conseguiram encapsulando pré-polímeros em hidrogel longo, protetor e sacrificial. fibras.
A pesquisa foi publicada na revista Science Advances .
Eles projetaram aparelhos simples e regularam as autoadaptações fluídicas e interfaciais dos fluxos de óleo/água para produzir com sucesso fibras com diâmetro amplamente regulado, comprimento notável e alta qualidade. O método permitiu uma remodelagem fácil e eficaz das fibras helicoidais para uma elasticidade excepcional e regulação mecânica.
As fibras têm aplicações potenciais como componentes têxteis e dispositivos optoeletrônicos. O método fornece um caminho poderoso para a produção em massa de fibras elásticas de alta qualidade.
Polímeros extensíveis
As fibras intrinsecamente extensíveis têm aplicações generalizadas quando comparadas com fibras não extensíveis, onde as fibras extensíveis podem reter suas funções sob dinâmica mecânica para realizar usos específicos. Polímeros extensíveis podem ser incorporados para desenvolver biomateriais e bioeletrônica com crescente atenção obtida por sua capacidade de se adaptar ao corpo humano.
No entanto, a fabricação em larga escala e o uso de materiais são limitantes nos polímeros elásticos fiáveis, incluindo poliuretano e poli (estireno-co-etileno butileno-co-estireno). Os materiais podem ser processados usando métodos tradicionais de fiação.
Esses polímeros fiáveis podem ser preparados em fundidos ou soluções que têm a forma de fluidos semelhantes a fibras. Os hidrogéis de alginato, assim formados entre moléculas de alginato e cátions, são amplamente utilizados por sua biocompatibilidade, biodegradabilidade e propriedades mecânicas ajustáveis.
Para realizar uma técnica de fiação adequada para pré-polímeros de cuing lento e de fase oleosa, a equipe desenvolveu um sistema de fiação microfluídica para encapsular os pré-polímeros com fibras de hidrogel de alginato e estudou os mecanismos e influências relacionados. Mecanismos de fiação de fibra do método HAMS. (A a C) Formação de esferas PDMSliq sob diferentes Qcore/Qshell (barras de escala, 1 mm). (D) Resultados numéricos de campo de fase mostrando a deformação interfacial e o campo de fluxo de fluido do núcleo (PDMSliq) e fluxos de casca sob diferentes Qcore/Qshell em diferentes momentos (t) após iniciar a extrusão dos fluxos de núcleo (barra de escala, 1 mm). (E) Esquemas mostrando os mecanismos potenciais na fiação de fibras PDMSliq/hidrogel. (F e G) Fotografias de fibras de núcleo/casca PDMSthi fiadas em diferentes Qcore/Qshell, onde os esquemas mostram os potenciais mecanismos de fiação (barras de escala, 1 mm). Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.adj5407 O método de fiação microfluídica assistida por hidrogel (HAMS)
Um método de fiação microfluídica assistida por hidrogel simples, eficaz e escalável pode, sob temperatura ambiente na ausência de um solvente orgânico, produzir fibras extensíveis à base de pré-polímeros de fase oleosa. Os pré-polímeros e a solução aquosa de alginato de sódio podem ser coextrusados em uma solução aquosa de cloreto de cálcio para criar uma fibra/invólucro de hidrogel. O método HAMS pode realizar geometrias de fibras para remodelar a produção de fibras helicoidais. O potencial de aplicação do método é demonstrado pela produção de fibras a partir de diferentes pré-polímeros para investigar sua versatilidade.
Desenvolvimento de fibras com diferentes viscosidades
A equipe de pesquisa estudou a influência da viscosidade do fluxo na fiação da fibra usando polidimetil siloxano líquido (PDMS) e PDMS tixotrópico, que responderam de forma diferente às taxas de fluxo.
Os cientistas exploraram a aplicabilidade do método HAMS usando Ecoflex, silicone neutro e PDMS composto de nanotubos de carbono. O método HAMS é uma grande promessa para a produção de fibras extensíveis à base de pré-polímeros de fase oleosa. Os cientistas exploraram ainda mais como a autoadaptação fluídica e interfacial mediou os mecanismos de rotação da fase oleosa. As fibras fiadas desenvolvidas através do método HAMS são um hidrogel protetor e flexível com propriedades e funções mecânicas favoráveis. Remodelagem-produção de fibras helicoidais via método HAMS. (A) Esquema mostrando a remodelação da produção de fibras helicoidais. A inserção é uma fibra enrolada em uma haste de aço (barra de escala, 1 mm). (B) Três fibras PDMSthi helicoidais fabricadas a partir de diferentes fibras fiadas (agulha interna:calibre 12, 16 e 24 de cima para baixo) e hastes (diâmetro:4, 2 e 0,5 mm de cima para baixo; barra de escala, 5mm). (C) Fotografias mostrando a excelente elasticidade de uma fibra PDMSthi helicoidal microescalada (agulha interna de calibre 27 e diâmetro da haste de 0,5 mm; barra de escala, 5 mm). (D e E) Esquemas e fotografias mostrando as influências de Tshell, Drod, H e Deg na estrutura das fibras helicoidais PDMSthi (barras de escala, 1 mm). (F) Fotografias de quatro fibras PDMSthi helicoidais com diâmetros de fibra e diâmetros de hélice distintos (barra de escala, 1 mm). (G) Curvas de tração, resistências estatísticas à tração e alongamentos na ruptura (pontos com SDs), de fibras helicoidais PDMSthi fabricadas usando diferentes hastes. (H) Curvas de tração das quatro fibras helicoidais PDMSthi em (F). (I) Esquemas mostrando os mecanismos potenciais na remodelagem de estruturas helicoidais. Avanços da Ciência, doi:10.1126/sciadv.adj5407 A equipe remodelou as estruturas helicoidais levantando fibras giratórias a ar da solução de cloreto de cálcio e enrolando-as em moldes de haste para formar fibras helicoidais com estruturas uniformes, uma ampla faixa de tamanhos e excelente estabilidade. O método oferece uma abordagem amplamente regulamentada para criar fibras helicoidais extremamente elásticas. Com estes princípios básicos, estruturas helicoidais regulares podem ser enroladas de maneira fácil e eficaz para produzir fibras helicoidais.
Características do polímero
Zhao e colegas avaliaram o papel das misturas reológicas de pré-polímeros com diferentes proporções de volume de PDMS e ajustaram os tamanhos das agulhas para indicar a possibilidade de realizar o método de fiação microfluídica assistida por hidrogel. Embora este processo de encapsulamento de óleos de baixa viscosidade com fibras de hidrogel seja bem estudado, é importante estudar os mecanismos e estratégias de otimização do método de fiação microfluídica assistida por hidrogel.
Eles também estudaram o desempenho de detecção vestível das fibras ópticas PDMS para criar sinais de flexão e toque dos dedos adequados para inserir e transmitir informações Morse; como sensores mecânicos vestíveis.
Zhao e colegas investigaram ainda mais o desempenho da detecção mecânica das fibras, onde a resistência respondia com precisão ao alongamento cíclico com diferentes deformações. Os resultados destacaram o potencial de aplicação do método para produzir sensores de deformação vestíveis retos baseados em fibra e condutores ultra-elásticos. Demonstrações de aplicação de fibras elásticas fabricadas pelo método HAMS. (A) Fotografias mostrando o alongamento conduzido magneticamente de uma fibra PDMSthi helicoidal modificada magnéticamente dentro de um canal semelhante a um vaso [um tubo de cloreto de polivinila (PVC) como modelo] para atingir um alvo (um ímã como modelo) e sua elasticidade após a remoção o campo magnético (barra de escala, 5 mm). (B) Fotografia de uma fibra PDMSliq de 1 m de comprimento transmitindo luzes vermelhas, verdes e azuis (barra de escala, 2 cm). (C) Fotografia desta fibra PDMSliq transmitindo luz vermelha sob flexão (barra de escala, 2 cm). (D) Influência do comprimento da fibra PDMSliq na sua transmissão de luz na transmissão de luzes vermelhas, verdes e azuis. (E) Transmissão de luz de uma fibra PDMSliq durante um processo de alongamento cíclico de 1000 vezes de deformação de 100%. (F a I) Monitoramento de (F) flexão de dedos, (G) pressão de dedos, (H) informações Morse inseridas por pressão de dedos e (I) pulsos de pulso baseados na transmissão de luz de uma fibra PDMSliq. O padrão médio mostra o pico sistólico (PS), o maremoto (PT) e o pico diastólico (PD) dos pulsos do punho. (J) Imagens SEM de fibras CNT/PDMSliq retas e helicoidais. (K) Curvas de variação de resistência (△R/R0) e curvas de tração de fibras CNT/PDMSliq retas e helicoidais durante um processo de alongamento até a ruptura. (L) Curvas △R/R0 de uma fibra reta CNT/PDMSliq durante processos de alongamento cíclicos com diferentes deformações. (M) Monitoramento da flexão dos dedos usando uma fibra reta CNT/PDMSliq. (N) Monitoramento sem fio da flexão dos dedos combinando uma fibra CNT/PDMSliq com uma unidade Bluetooth e aplicativo de telefone, e (O) o resultado do monitoramento sem fio na flexão dos dedos. Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.adj5407 Perspectiva
Desta forma, Guoxu Zhao e sua equipe desenvolveram um método de fiação microfluídica assistida por hidrogel para produzir pré-polímeros de fase oleosa de resposta lenta, baseados em fibras elásticas. Este método de fiação microfluídica assistida por hidrogel pode ser conduzido sem derreter ou dissolver polímeros através de um alto consumo de energia ou solvente orgânico, como uma estratégia econômica e ambientalmente favorável. Ao utilizar pré-polímeros de cura rápida juntamente com uma seringa de dois componentes e uma cabeça de mistura, o processo de cura pode ser acelerado.
Mais informações: Guoxu Zhao et al, Fiação microfluídica assistida por hidrogel de fibras elásticas por meio de autoadaptações fluídicas e interfaciais, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj5407 Informações do diário: Avanços da ciência
