Des chercheurs de l'Université Brown ont montré un moyen d'utiliser de l'oxyde de graphène (GO) pour ajouter du squelette aux matériaux d'hydrogel fabriqués à partir d'alginate, un matériau naturel dérivé d'algues qui est actuellement utilisé dans une variété d'applications biomédicales. Dans un article publié dans la revue Carbone , les chercheurs décrivent une méthode d'impression 3D pour fabriquer des structures d'alginate-GO complexes et durables qui sont beaucoup plus rigides et plus résistantes aux fractures que l'alginate seul.

"Un facteur limitant dans l'utilisation des hydrogels d'alginate est qu'ils sont très fragiles - ils ont tendance à se désagréger sous une charge mécanique ou dans des solutions à faible teneur en sel, " dit Thomas Valentin, un doctorat étudiant à la Brown's School of Engineering qui a dirigé les travaux. "Ce que nous avons montré, c'est en incluant des nanofeuillets d'oxyde de graphène, nous pouvons rendre ces structures beaucoup plus robustes."

Le matériau est également capable de devenir plus rigide ou plus souple en réponse à différents traitements chimiques, ce qui signifie qu'il pourrait être utilisé pour fabriquer des matériaux "intelligents" capables de réagir à leur environnement en temps réel, la recherche montre. En outre, l'alginate-GO conserve la capacité de l'alginate à repousser les huiles, donnant au nouveau matériau le potentiel d'un revêtement antifouling robuste.

La méthode d'impression 3D utilisée pour fabriquer les matériaux est connue sous le nom de stéréolithographie. La technique utilise un laser ultraviolet contrôlé par un système de conception assistée par ordinateur pour tracer des motifs sur la surface d'une solution de polymère photoactif. La lumière provoque la liaison des polymères, former des structures 3-D solides à partir de la solution. Le processus de traçage est répété jusqu'à ce qu'un objet entier soit construit couche par couche de bas en haut. Dans ce cas, la solution de polymère a été réalisée en utilisant de l'alginate de sodium mélangé à des feuilles d'oxyde de graphène, un matériau à base de carbone qui forme des nanofeuilles d'un atome d'épaisseur qui sont plus résistantes livre pour livre que l'acier.

Un avantage de la technique est que les polymères d'alginate de sodium se lient par des liaisons ioniques. Les liaisons sont suffisamment solides pour maintenir le matériau ensemble, mais ils peuvent être brisés par certains traitements chimiques. Cela donne au matériau la capacité de répondre dynamiquement aux stimuli externes. Précédemment, les chercheurs de Brown ont montré que cette "réticulation ionique" peut être utilisée pour créer des matériaux d'alginate qui se dégradent à la demande, se dissolvant rapidement lorsqu'il est traité avec un produit chimique qui balaie les ions de la structure interne du matériau.

Pour cette nouvelle étude, les chercheurs voulaient voir comment l'oxyde de graphène pouvait modifier les propriétés mécaniques des structures d'alginate. Ils ont montré que l'alginate-GO pouvait être rendu deux fois plus rigide que l'alginate seul, et beaucoup plus résistant à la rupture par fissuration.

"L'ajout d'oxyde de graphène stabilise l'hydrogel d'alginate avec une liaison hydrogène, " a déclaré Ian Y. Wong, professeur adjoint d'ingénierie à Brown et auteur principal de l'article. "Nous pensons que la résistance à la fracture est due au fait que les fissures doivent faire un détour autour des feuilles de graphène intercalées plutôt que de pouvoir casser l'alginate bien qu'homogène."

La rigidité supplémentaire a permis aux chercheurs d'imprimer des structures qui avaient des parties en surplomb, ce qui aurait été impossible avec l'alginate seul. De plus, la rigidité accrue n'a pas empêché l'alginate-GO de répondre également aux stimuli externes comme l'alginate seul peut le faire. Les chercheurs ont montré qu'en baignant les matériaux dans un produit chimique qui élimine ses ions, les matières ont gonflé et sont devenues beaucoup plus molles. Les matériaux ont retrouvé leur rigidité lorsque les ions ont été restaurés par bain dans des sels ioniques. Des expériences ont montré que la rigidité des matériaux pouvait être réglée sur un facteur 500 en faisant varier leur environnement ionique externe.

Cette capacité à modifier sa rigidité pourrait rendre l'alginate-GO utile dans diverses applications, disent les chercheurs, y compris les cultures cellulaires dynamiques.

« Vous pouvez imaginer un scénario dans lequel vous pouvez imager des cellules vivantes dans un environnement rigide, puis passer immédiatement à un environnement plus doux pour voir comment les mêmes cellules pourraient réagir, ", a déclaré Valentin. Cela pourrait être utile pour étudier comment les cellules cancéreuses ou les cellules immunitaires migrent à travers différents organes dans tout le corps.

Et parce que l'alginate-GO conserve les puissantes propriétés oléofuges de l'alginate pur, le nouveau matériau pourrait constituer un excellent revêtement pour empêcher l'huile et d'autres saletés de s'accumuler sur les surfaces. Dans une série d'expériences, les chercheurs ont montré qu'un revêtement d'alginate-GO pouvait empêcher l'huile d'encrasser la surface du verre dans des conditions très salines. Cela pourrait rendre les hydrogels d'alginate-GO utiles pour les revêtements et les structures utilisés en milieu marin, disent les chercheurs.

"Ces matériaux composites pourraient être utilisés comme un capteur dans l'océan qui peut continuer à prendre des mesures lors d'une marée noire, ou comme revêtement antisalissure qui aide à garder les coques de navires propres, ", a déclaré Wong. La rigidité supplémentaire offerte par le graphène rendrait ces matériaux ou revêtements beaucoup plus durables que l'alginate seul.

Les chercheurs prévoient de continuer à expérimenter avec le nouveau matériau, à la recherche de moyens de rationaliser sa production et de continuer à optimiser ses propriétés.