Fabrication and Characterization of Poly(9-vinylcarbazole)-Reinforced Epoxy Shape Memory Polymers

Slimme materialen zijn een klasse stoffen die ontworpen zijn om te reageren op hun omgeving, waarbij ze van vorm of gedrag veranderen wanneer ze worden getriggerd door hitte, licht of vocht. Onder deze materialen zijn vormgeheugenpolymeren bijzonder intrigerend omdat ze gebogen of gedraaid kunnen worden in een tijdelijke vorm en vervolgens terug kunnen springen naar hun oorspronkelijke vorm wanneer ze worden opgewarmd. Deze materialen bieden grote belofte voor de geneeskunde, waar ze kunnen dienen als zelfexpanderende stents of steunstructuren die weefsels helpen genezen. Er blijft echter een aanzienlijke hindernis bestaan: veel van deze polymeren zijn te zwak om de fysieke eisen van het menselijk lichaam aan te kunnen, en ze missen vaak het vermogen om te interageren met de elektrische systemen van het lichaam. Om echt nuttig te zijn in complexe biomedische apparaten, moet een materiaal sterk, flexibel en in staat zijn om elektrische signalen te geleiden, terwijl het tegelijkertijd veilig blijft voor levende cellen.

Onderzoekers aan de Henan Polytechnic University hebben een stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuw type vormgeheugenmateriaal te creëren dat kracht combineert met biologische veiligheid. Ze begonnen met een standaard epoxyhars, een taai plastic dat vaak wordt gebruikt in coatings en lijmen, en modificeerden dit om te fungeren als een vormgeheugenpolymeer. Aan deze basis voegden ze een kleine hoeveelheid een ander polymeer toe genaamd poly(9-vinylcarbazol), of PVK. PVK staat bekend om zijn vermogen om elektrische ladingen te transporteren, een eigenschap die meestal gewenst is in elektronische apparaten zoals zonnecellen. Het team mengde deze twee materialen samen en controleerde het proces zorgvuldig om ervoor te zorgen dat de PVK gelijkmatig door de epoxy werd verspreid in plaats van samen te klonteren. Ze testten verschillende hoeveelheden PVK, variërend van helemaal niets tot net meer dan één procent van het totale gewicht, om de perfecte balans te vinden.

De resultaten toonden aan dat het toevoegen van dit specifieke polymeer meer deed dan alleen het materiaal sterker maken. De composietfilms werden aanzienlijk taaier en konden grotere krachten weerstaan voordat ze braken, waarbij de beste mechanische prestaties werden gezien bij een PVK-gehalte van ongeveer een half procent. Cruciaal was dat deze versterking het vermogen van het materiaal om zijn vorm te onthouden niet verpestte. De nieuwe composieten werden nog steeds zachter wanneer ze werden verhit tot ongeveer lichaamstemperatuur, waardoor ze gevormd konden worden, en sprongen vervolgens terug naar hun oorspronkelijke vorm wanneer ze opnieuw werden verhit. Bovoltrecht zorgde de toevoeging van PVK ervoor dat de elektrische weerstand van het materiaal werd verlaagd, waardoor het gemakkelijker is voor elektriciteit om erdoorheen te stromen vergeleken met de gewone epoxy. Dit suggereert dat het materiaal ooit zou kunnen dienen als een interface tussen elektronische apparaten en menselijk weefsel.

Misschien wel het belangrijkste voor medisch gebruik, bewees het nieuwe materiaal veilig te zijn voor levende cellen. Wanneer de onderzoekers het materiaal testten tegen rode bloedcellen, ontdekten ze aanvankelijk dat sommige monsters een kleine hoeveelheid celbeschadiging veroorzaakten. Ze ontdekten echter dat dit werd veroorzaakt door minuscule, achtergebleven chemische stukjes uit het productieproces. Nadat ze de monsters grondig hadden gewassen om deze residuen te verwijderen, vertoonde het materiaal geen schade aan de bloedcellen. In tests met stamcellen, die essentieel zijn voor weefselherstel, vertoonde het materiaal een duidelijke verbetering ten opzichte van het referentiemateriaal; terwijl het referentiemateriaal de cellulaire activiteit aanzienlijk onderdrukte, bevorderden de met PVK gedoteerde monsters de celproliferatie, waarbij de hoogste compatibiliteit werd waargenomen in monsters met 1,2% PVK. De studie concludeert dat door deze twee polymeren zorgvuldig te mengen, het team een materiaal heeft gecreëerd dat sterk, elektrisch actief en veilig is voor het lichaam, wat een veelbelovende basis biedt voor toekomstige biomedische apparaten die zowel fysieke belastingen moeten ondersteunen als moeten interageren met de natuurlijke elektrische signalen van het lichaam.