具有微通道圖案的樂高狀水凝膠構件塊可以組裝成復雜的微流控裝置，并緊緊密封在一起

據麥姆斯咨詢報道，布朗大學（Brown University）的研究人員使用一種能夠動態響應環境的新型雙聚合物材料開發出一套模塊化水凝膠組件，可用于各種“軟體機器人”和生物醫學應用。

這種由3D打印機制作而成的組件能夠彎曲、扭曲或粘在一起，以響應對特定化學品的處理。在發表在《高分子化學》（Polymer Chemistry）期刊的論文中，研究人員展示了一款柔軟的夾具，能夠按需驅動拾取小物件。他們也設計了類似樂高的水凝膠積木，可以精細組裝，然后緊緊密封在一起，以形成定制化微流控裝置，可用于藥物篩選、細胞培養和其他應用的“芯片實驗室”系統。

研究人員表示，新材料所具備功能的關鍵是其雙聚合物成分。

布朗大學工程學院近期畢業的博士生、論文主要作者Thomas Valentin表示，“本質上，一種聚合物能夠提供結構完整性，另一種能夠實現動態行為，如彎曲或自粘合。因此，將兩者放在一起生成的材料會優于各部分相加的總和。”

當水凝膠中的聚合物鏈彼此栓在一起時，水凝膠會固化，該過程被稱為交聯。有兩種類型的鍵合可將交聯聚合物整合起來：共價鍵和離子鍵。共價鍵相當強大，但不可逆轉。一旦兩條鏈共價連接，斷裂鏈會比破壞鍵更容易。另一方面，離子鍵沒那么強大，但是可以逆轉。添加離子（具有凈正電荷或負電荷的原子或分子）將導致鍵的形成，去除離子則會導致鍵的分離。

針對這種新材料，研究人員將一種共價交聯的聚合物（PEGDA）和另一種離子交聯的聚合物（PAA）結合在一起。PEGDA的強共價鍵將材料結合在一起，而PAA的離子鍵使其具有響應性。將材料置于富含離子的環境中會導致PAA交聯，意味著該材料會變得更堅硬并收縮。將離子撤走，隨著離子鍵斷裂，該材料又會軟化并膨脹。相同的方法也使得材料在需要時能夠自粘。將兩個單獨的部件放在一起，添加一些離子，這些部件就會緊密地連接在一起。

這種強度和動態變化的結合，使研究人員能夠制造出柔軟的夾具。他們將每個夾具的“手指”制作成一面是純PEGDA材料，一面是PEGDA-PAA的混合物。添加離子導致PEGDA-PAA面收縮并強化，將兩個抓手拉到一起。研究人員表示，這種機制非常強大，能夠舉起重約1克的小物件，且能夠抵抗重力“拿住”物件。

布朗大學工程系副教授、論文通訊作者Ian Y. Wong表示，“大家都對能改變形狀并自動適應不同環境的材料很感興趣，因此我們展示了一種可以彎曲并重新配置自身以響應外部刺激的材料。”

研究人員同樣表示，該材料更直接的應用可能是微流控技術領域。

水凝膠對微流控裝置而言是受歡迎的材料，尤其是生物醫學測試應用領域。它們像人體組織一樣柔軟且具有彈性，通常是無毒的。問題在于通常難以在微流控裝置中用水凝膠制作復雜的微通道和腔室。

但是這種新材料，以及它所涵蓋的樂高積木概念，提供了一種潛在的解決方案。3D打印允許復雜的微流控結構融入每個小塊。然后可以使用套接配置，更像是真正的樂高積木將這些小塊組裝起來。將離子添加到組裝好的小塊中可以形成防水密縫。

Valentin指出，“模塊化樂高積木非常有趣，因為我們可以為微流控裝置創建預制工具箱。你可以隨時使用不同的微流控結構保留各種預置部件，然后選擇制作自定義微流控鏈路所需的部件。然后將其組裝起來就可以了。”

研究人員表示，在使用前長期存放這些小塊也不成問題。

布朗大學的本科生、論文共同作者Eric DuBois表示，“這項研究測試用的樣本有些是三個月或四個月之前的，因此我們認為這些材料可以在很長一段時間內保持可用。”

研究人員表示他們將致力于研究該材料，未來可能會調整聚合物的性質，以獲得更高的耐用性和功能性。