Locomotion de l'hydrogel régulée par la lumière et les champs électriques

Article du 22 août 2023

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Les scientifiques des matériaux visent à développer des matériaux autonomes qui fonctionnent au-delà de l’actionnement réactif aux stimuli. Dans un nouveau rapport paru dans Science Advances, Yang Yang et une équipe de recherche du Center for Bioinspired Energy Science de la Northwestern University, aux États-Unis, ont développé des hydrogels photo- et électro-activés pour capturer et livrer des marchandises et éviter les obstacles au retour.

Pour ce faire, ils ont utilisé deux monomères de spiropyrane (matériaux photocommutables) dans l'hydrogel pour une inversion de charge photorégulée et des comportements autonomes sous un champ électrique constant. Les matériaux photo/électroactifs pourraient effectuer de manière autonome des tâches basées sur des stimuli externes constants pour développer des matériaux intelligents à l'échelle moléculaire.

Les matériaux souples dotés de fonctionnalités réalistes ont des applications prometteuses en tant que matériaux robotiques intelligents dans des environnements dynamiques complexes, importants pour les interfaces homme-machine et les dispositifs biomédicaux. Yang et ses collègues ont conçu un hydrogel photo-activé et électro-activé pour capturer et livrer la cargaison, éviter les obstacles et revenir à son point de départ, sur la base de stimuli constants de lumière visible et d'électricité appliquée. Ces conditions constantes ont fourni de l’énergie pour guider l’hydrogel.

L’équipe de recherche a intégré de manière covalente des fragments de spiropyrane avec différents substituants dans les constructions pour réguler la charge nette des matériaux mous. Ils ont utilisé des simulations par éléments finis pour guider la conception et le mouvement des hydrogels chargés et ont conçu des profils de surface 3D pour maximiser l'effet diélectrophorétique. Yang et l’équipe ont étudié plus en détail la portée de la locomotion électroactive et du photoactionnement dans les hydrogels de spiropyrane.

Yang et ses collègues ont utilisé deux molécules de spiropyrane différentes avec des charges nettes différentes. Ils ont synthétisé chacune des molécules avec un groupe méthacrylate polymérisable sur la base des rapports existants.

Ils ont incorporé différents ratios de molécules de spiropyrane dans des chaînes polymères de N-isopropylacrylamide (PNIPAM) pour former des hydrogels. Dans ce cas, ils ont ajusté les fonctionnalités d’inversion de charge à l’aide de copolymères d’unités structurelles de spiropyrane pour montrer des comportements de potentiel photocommutable et d’inversion de charge avec une charge réglable. Les scientifiques ont réglé le temps d'inversion de charge en modifiant le rapport des deux fragments de spiropyrane, sans modifier les taux de commutation et de récupération.

Sur la base du comportement d'inversion de charge des polymères, l'équipe de Yang a photorégulé les hydrogels électroactifs en utilisant un agent de réticulation pour les préparer.

Dans un premier temps, l’équipe a pu charger positivement l’hydrogel pour le déplacer vers la cathode sous un champ électrique à courant continu, où la charge positive est transférée des fragments spiropyrane au réseau d’hydrogel. Par la suite, les groupes sulfonate liés en permanence sur la chaîne polymère ont rendu la charge nette de la construction négative, permettant à l'hydrogel chargé négativement de retourner vers l'anode.

L’équipe a étudié les vitesses de locomotion électroactive photorégulées des disques d’hydrogel sur plusieurs cycles lumière-obscurité pour examiner leur vitesse de locomotion et déterminé la relation entre la charge et la vitesse des disques d’hydrogel. Ils ont basé cela sur l’équilibre entre la force électrostatique et la force de traînée hydrodynamique, où la tension appliquée plus élevée et le diamètre plus grand des disques d’hydrogel permettaient une vitesse de locomotion plus élevée. De tels dispositifs polymères sont bien adaptés pour capturer et livrer des marchandises grâce à une chasse autonome.