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3D Printing of an In Situ Grown MOF Hydrogel with Tunable Mechanical Properties.
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2020-07-09 , DOI: 10.1021/acsami.0c08880 Wangqu Liu 1 , Ozan Erol 2 , David H Gracias 1, 3, 4
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2020-07-09 , DOI: 10.1021/acsami.0c08880 Wangqu Liu 1 , Ozan Erol 2 , David H Gracias 1, 3, 4
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Due to their precisely modifiable microporosity and chemical functionality, Metal–Organic Frameworks (MOFs) have revolutionized catalysis, separations, gas storage, drug delivery, and sensors. However, because of their rigid and brittle powder morphology, it is challenging to build customizable MOF shapes with tunable mechanical properties. Here, we describe a new three-dimensional (3D) printing approach to create stretchable and tough MOF hydrogel structures with tunable mechanical properties. We formulate a printable ink by combining prepolymers of a versatile double network (DN) hydrogel of acrylamide and alginate, a shear-thinning agent, and MOF ligands. Importantly, by simultaneous cross-linking of alginate and in situ growth of the HKUST-1 using copper ions, we are able to create composites with high MOF dispersity in the DN hydrogel matrix with high pore accessibility. We extensively characterize the inks and uncover parameters to tune modulus, strength, and toughness of the 3D prints. We also demonstrate the excellent performance of the MOF hydrogels for dye absorption. Our approach incorporates all of the advantageous attributes of 3D printing while offering a rational approach to merge stretchable hydrogels and MOFs, and our findings are of broad relevance to wearables, implantable and flexible sensors, chemical separations, and soft robotics.
中文翻译:
具有可调机械性能的原位生长MOF水凝胶的3D打印。
由于其可精确修改的微孔和化学功能,金属有机框架(MOF)彻底改变了催化,分离,气体存储,药物输送和传感器。但是,由于其刚性和脆性的粉末形态,要构建具有可调机械性能的可定制MOF形状具有挑战性。在这里,我们描述了一种新的三维(3D)打印方法,以创建具有可调机械性能的可拉伸且坚韧的MOF水凝胶结构。我们通过结合丙烯酰胺和藻酸盐的通用双网络(DN)水凝胶的预聚物,剪切稀化剂和MOF配体来配制可印刷油墨。重要的是,通过藻酸盐和原位同时交联通过使用铜离子生长HKUST-1,我们能够在具有高孔隙可达性的DN水凝胶基质中创建具有高MOF分散性的复合材料。我们对油墨进行了广泛的表征,并揭示了一些参数来调整3D打印的模量,强度和韧性。我们还展示了MOF水凝胶在染料吸收方面的出色性能。我们的方法融合了3D打印的所有优点,同时提供了合理的方法来合并可拉伸水凝胶和MOF,并且我们的发现与可穿戴设备,植入式和柔性传感器,化学分离和软机器人有着广泛的联系。
更新日期:2020-07-22
中文翻译:
具有可调机械性能的原位生长MOF水凝胶的3D打印。
由于其可精确修改的微孔和化学功能,金属有机框架(MOF)彻底改变了催化,分离,气体存储,药物输送和传感器。但是,由于其刚性和脆性的粉末形态,要构建具有可调机械性能的可定制MOF形状具有挑战性。在这里,我们描述了一种新的三维(3D)打印方法,以创建具有可调机械性能的可拉伸且坚韧的MOF水凝胶结构。我们通过结合丙烯酰胺和藻酸盐的通用双网络(DN)水凝胶的预聚物,剪切稀化剂和MOF配体来配制可印刷油墨。重要的是,通过藻酸盐和原位同时交联通过使用铜离子生长HKUST-1,我们能够在具有高孔隙可达性的DN水凝胶基质中创建具有高MOF分散性的复合材料。我们对油墨进行了广泛的表征,并揭示了一些参数来调整3D打印的模量,强度和韧性。我们还展示了MOF水凝胶在染料吸收方面的出色性能。我们的方法融合了3D打印的所有优点,同时提供了合理的方法来合并可拉伸水凝胶和MOF,并且我们的发现与可穿戴设备,植入式和柔性传感器,化学分离和软机器人有着广泛的联系。