調整可能な機械的特性を持つ成長MOFハイドロゲルの3Dプリント

3D Printing of an Grown MOF Hydrogel with Tunable Mechanical Properties.

• Wangqu Liu
• Ozan Erol
• David H Gracias

抄録

正確に変更可能な微細孔と化学的機能性により、金属-有機フレームワーク（MOF）は、触媒、分離、ガス貯蔵、薬物送達、およびセンサーに革命を起こしてきました。しかし、その硬くて脆い粉末モルフォロジーのために、機械的特性を調整可能なカスタマイズ可能なMOF形状を構築することは困難である。ここでは、調整可能な機械的特性を持つ伸縮性と強靭なMOFハイドロゲル構造を作成するための新しい3次元（3D）印刷アプローチを説明します。我々は、アクリルアミドとアルギン酸の汎用性の高い二重ネットワーク（DN）ヒドロゲルのプレポリマー、剪断薄化剤、およびMOFリガンドを組み合わせることにより、印刷可能なインクを形成する。重要なことは、アルギン酸塩の架橋と銅イオンを用いたHKUST-1の成長を同時に行うことで、DNハイドロゲルマトリックス中に高いMOF分散性と高い細孔アクセス性を有する複合材料を作製することができるということである。また、このインクを広範囲に特性評価し、3Dプリントの弾性率、強度、靭性を調整するためのパラメータを明らかにした。また、染料吸収のためのMOFハイドロゲルの優れた性能も実証しています。我々のアプローチは、伸縮性のあるハイドロゲルとMOFを融合させる合理的なアプローチを提供しながら、3Dプリントのすべての利点を取り入れており、我々の発見は、ウェアラブル、移植可能な柔軟なセンサー、化学分離、ソフトロボティクスに広く関連しています。

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 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.