Самовосстанавливающийся гидрогель можно перерабатывать в замкнутом цикле

Гидрогели способны удерживать большое количество воды, оставаясь мягкими и сохраняя форму. Их используют в контактных линзах, раневых повязках, подгузниках и других изделиях. Но химические связи, которые обеспечивают устойчивость таких материалов, могут затруднять их переработку.

Профессор химии и химической биологии Северо-Восточного университета Диего М. Альсате-Санчес и докторант Дженна Кин разработали гидрогель, который можно перерабатывать в замкнутом цикле. При определенных условиях его полимерная сеть распадается, позволяя извлечь компоненты и снова изготовить из них гидрогель. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Materials.

Обратимые связи вместо постоянных

В основе гидрогеля — сеть длинных молекулярных цепей, или полимеров. Между цепями находятся поперечные связи: их создают более короткие молекулы — сшивающие агенты. Эти связи удерживают сеть вместе и помогают материалу сохранять структуру.

В гидрогелях с постоянными сшивками такую сеть трудно разобрать. Альсате-Санчес и Кин заменили сшивающие агенты в существующей модели гидрогеля на молекулы, образующие обратимые связи.

Это позволило исследователям разобрать полимерную сеть, восстановить все ее компоненты и использовать их для повторного получения исходного гидрогеля. В испытаниях переработанные образцы сохраняли свойства, а в некоторых случаях показывали лучшие результаты, чем до переработки.

Кислотность управляет разборкой материала

Перерабатываемый полимер должен сочетать два трудносовместимых качества: устойчивость при использовании и способность к химическим превращениям при переработке. На это противоречие обратила внимание Василики-Александра Глезако, исследователь Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL).

В новом гидрогеле управление связями зависит от кислотности среды. При достижении определенного порога они разрушаются, и полимерную сеть можно разобрать. В остальных условиях материал сохраняет целостность.

Таким образом, возможность переработки заложена в самой структуре гидрогеля: компоненты можно вернуть в цикл изготовления материала, а не использовать лишь для получения другого продукта.

Разрез начал затягиваться через 15 минут

Обратимые связи также обеспечивают самовосстановление. По объяснению Дженны Кин, вода внутри гидрогеля поддерживает связи в динамическом состоянии: они могут разрушаться и образовываться заново. Дополнительная вода выделяется как побочный продукт при формировании сшивок.

Чтобы проверить этот эффект, исследователи разрезали образец пополам и аккуратно соединили части. Примерно через 15 минут разрыв начал исчезать: между частями формировались новые связи. Речь идет о начале восстановления, а не о полном устранении повреждения за это время.

Возможности для изделий из гидрогелей

Гидрогели применяют не только в контактных линзах и средствах ухода. Их также используют для доставки лекарств и очистки воды, где важна способность материала удерживать и контролируемо высвобождать вещества.

Исследователь ORNL Карен Кортес-Гусман отметила, что самовосстановление особенно полезно там, где ремонт или замена изделия непрактичны либо дороги. Восстановление после порезов и проколов может помочь материалу вернуть работоспособность.

Самовосстанавливающиеся контактные линзы пока не представлены на рынке. Однако испытанный гидрогель демонстрирует сочетание двух свойств, важных для обращения с полимерными материалами: восстановления повреждений и переработки с возвратом компонентов в замкнутый цикл.

Фото: Matthew Modoono/Northeastern University