Несмотря на свою якобы внезапную популярность в последние годы, аддитивные технологии впервые увидели свет еще в 1971 году. Долгое время 3D-принтеры использовались исключительно для производства функциональных или эстетических прототипов, а сама технология носила название «быстрое прототипирование».

Стремительное развитие вычислительной техники привело к появлению разных методов реализации аддитивных технологий: от лазерной стереолитографии (SLA) до более знаменитой 3D-печати (3DP). Другой термин, появившийся еще в 1894, это гидрогель — полимер, способный поглощать воду (если очень утрировано).

У гидрогелей, как и у аддитивных технологий, множество применений: медицина, фармакология и даже энергетика. И вот ученые из университета Северной Каролины решили объединить 3D-печать и гидрогель для создания гидрогелевых структур с желаемыми свойствами. На Хабре была новость об этой разработке, но мы попробуем копнуть глубже. Из чего состоит изучаемый гидрогель, какими свойствами его можно наделить, и что из него можно сделать? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Для начала стоит в двух словах пояснить, что такое гидрогель. Это сеть из пересекающихся полимерных цепей, способных равновесно и обратимо набухать в воде и водных растворах. Основой гидрогеля являются гидрофильные молекулы.

Проблема классических гидрогелей, изготовленных из полимерных сетей в воде, состоит в том, что они мягкие и хрупкие, т.е. им не хватает упругости и прочности. Из-за этого применение гидрогелей в различных отраслях (робототехника, тканевая инженерия и т.д.) сильно ограничено.

Эластичность гидрогелевых материалов может быть улучшена путем объединения взаимопроникающих ковалентных и ионных полимерных сетей с образованием сильно растяжимых и прочных структур. Другой метод улучшения механических свойств гидрогелей основан на использовании наполнителей с высоким коэффициентом формы (высокое отношение длины наполнителя к диаметру его поперечного сечения). Это позволяет механически усилить гелевую матрицу.

Однако использование наполнителя из материала, отличного от материала матрицы, приводит к возникновению напряжения на поверхностях интерфейсов, которые вызывают образование трещин при деформации или нагревании.

Противоположный метод основан на применении однополимерных композитов или так называемых гомокомпозитов. Мезомасштабная усиливающая сеть гомокомпозитов сделана из материала, который химически идентичен материалу первичной матрицы. Сети гомокомпозитного армирования позволяют модулировать механические свойства первичной (основной) матрицы без напряжения, точек расслоения и т.д.

Звучит очень многообещающе, но и тут есть проблема — изготовление HHG (от homocomposite hydrogel, т.е. гомокомпозитный гидрогель) является крайне сложным процессом из-за отсутствия методов создания армирующих сетей с тем же химическим составом, что и матрица гидрогеля.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают новый тип HHG, в котором как первичная гелевая матрица, так и армирующая сеть состоят из альгината натрия (SA от sodium alginate; C₆H₉NaO₇).