Les hydrogels subissent inévitablement une déshydratation, un effondrement structurel et une déformation par retrait en raison de l'évaporation ininterrompue dans l'atmosphère, perdant ainsi leur flexibilité, leur caractère glissant et leur précision de fabrication.

La recherche, publiée dans International Journal of Extreme Manufacturing , montre comment fabriquer avec une grande précision une sorte de matériau souple et glissant dans lequel les molécules d'eau sont sujettes à l'évaporation, mais toujours bien mis en œuvre avec des matériaux fonctionnels structurés de haute fidélité.

Mais cette découverte pourrait aussi être extrêmement utile ; si vous souhaitez inventer quelque chose de révolutionnaire, le processus commence souvent par la découverte d'un matériau entièrement nouveau.

"En principe, cela ouvre la voie à la conception et à la construction d'une toute nouvelle classe de matières molles qui, humides et lubrifiantes, sont faciles à façonner et résistent à la déshydratation dans des conditions atmosphériques", a déclaré Xiaolong Wang, professeur au Laboratoire clé d'État de Lubrification solide à l'Institut de physique chimique de Lanzhou, Académie chinoise des sciences, et auteur principal de l'étude.

"Essentiellement, cela suggère de nouvelles possibilités pour des matériaux biolubrifiants extrêmement importants et des technologies de traitement de haute précision", a déclaré Desheng Liu (assistant de recherche), le premier auteur de l'article.

L'hydrogel est une sorte de matériau souple doté d'une structure de réseau réticulé tridimensionnel hydrophile, qui a été largement utilisé dans l'ingénierie tissulaire, les pansements, les dispositifs portables flexibles, la peau électronique et les robots souples en raison de leur flexibilité, de leur accordabilité mécanique et de leur biocompatibilité. , pouvoir lubrifiant, etc.

De loin, les approches les plus anciennes, telles que les sels hygroscopiques et les solvants mixtes eau-organique binaires, ont été introduites dans les hydrogels en vrac, limitant l'évaporation de l'eau dans des conditions ambiantes en augmentant l'enthalpie de vaporisation de l'eau. Malgré une meilleure tolérance à la déshydratation, les hydrogels construits par ces moyens sont inévitablement susceptibles d'altérer des propriétés telles que la mouillabilité, le pouvoir lubrifiant, la mécanique et même l'hydratation.

Ceci est avantageux car ces matériaux sont plus flexibles et plus difficiles à traiter que les matériaux durs traditionnels, mais le problème est qu'ils ne sont pas très stables; ils peuvent perdre leur flexibilité s'ils sont exposés à l'air ou si la température devient trop élevée.

Étant donné la structure biologique de la peau humaine pour la « rétention d'eau », les chercheurs rapportent ici une nouvelle stratégie bioinspirée qui introduit le tréhalose dans le réseau d'hydrogel pour former des interactions de liaisons hydrogène induites par le tréhalose. L'interaction entre le tréhalose et l'eau peut générer une couche superficielle tolérante à la déshydratation dans l'atmosphère, ce qui donne lieu à des hydrogels flexibles et glissants.

Ensuite, Liu a commencé à expérimenter certains matériaux naturels à base de facteurs hydratants découverts il y a des années, mais largement ignorés. Il a transformé le tréhalose en solution aqueuse pour fabriquer des encres photosensibles hydrogel et des matériaux hydrogel structurés, puis a commencé à tester ses propriétés de dessiccation. Ainsi, le tréhalose peut également agir comme un agent de rétention d'eau efficace pour les hydrogels en introduisant de fortes interactions de liaisons hydrogène pour conserver les propriétés inhérentes à l'atmosphère.

À la grande surprise des scientifiques, l’introduction de tréhalose dans l’hydrogel peut améliorer considérablement sa résistance à la déshydratation, ses performances de lubrification, ses propriétés mécaniques et la précision de sa fabrication. De plus, il était très stable.

"Les fortes interactions de liaison hydrogène de type covalent formées par de nombreux groupes hydroxyle sur la molécule de tréhalose et de nombreux groupes polaires sur les longues chaînes polymères peuvent conférer une ductilité supérieure et une tolérance à la dessiccation à l'hydrogel glissant", a déclaré Liu. Cela est extrêmement utile pour un appareil en matériau souple et glissant qui doit fonctionner dans des environnements du monde réel.

Mais pour les scientifiques, la chose la plus frappante était que le matériau mou contenait de l'eau.

"La combinaison de l'impression 3D par photopolymérisation en cuve et des hydrogels modifiés au tréhalose peut permettre d'obtenir divers hydrogels stéréoscopiques avec une résolution souhaitable, des géométries complexes et des microarchitectures personnalisables au niveau macroscopique en raison du retrait et de la déformation induits par la dessiccation dans le processus de fabrication", a déclaré Wang. "En guise de démonstration de faisabilité, un fantôme vasculaire en hydrogel de haute précision a été créé pour imiter l'intervention d'un fil guide."

Le résultat est sans précédent pour un matériau hydrogel glissant. "C'est presque comme la peau humaine :vous pouvez efficacement emprisonner l'humidité pour éviter une évaporation excessive, et ainsi posséder une tolérance favorable à la déshydratation", a déclaré Wang.

Les scientifiques sont enthousiasmés car cette découverte propose un principe de conception fondamentalement nouveau pour la fabrication de haute précision de matériaux hydrogels. Les facteurs naturels d'hydratation sont si importants pour les matériaux hydrogels que presque tout nouveau développement de matériaux souples ouvrira de nouvelles frontières pour les techniques de fabrication additive, ont-ils expliqué.

On pense que la méthode proposée ouvre la voie à la fabrication d'hydrogels structurels à grande échelle tolérants à la déshydratation dans l'atmosphère, élargissant ainsi leurs applications dans des environnements complexes.

L’équipe explore également les différentes structures et fonctions que les matériaux hydrogels peuvent produire en exploitant l’impression 3D par photopolymérisation TVA. "Nous pensons avoir proposé une stratégie pratique et polyvalente qui s'adapte à la fabrication d'hydrogels à grande échelle avec des architectures sophistiquées dans le cadre d'un processus à long terme", a déclaré Wang.

Plus d'informations : Desheng Liu et al, Hydrogel glissant avec « peau » tolérante à la dessiccation pour la fabrication additive de haute précision, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI :10.1088/2631-7990/ad1730

Fourni par l'International Journal of Extreme Manufacturing