伸縮性ヒドロゲルの機械的特性に及ぼす金ナノロッドの影響

Gold nanorod impact on mechanical properties of stretchable hydrogels.

• Jacob G Turner
• Jun Hyup Og
• Catherine J Murphy

抄録

ダブルネットワークヒドロゲルは、従来のヒドロゲルよりもゴムや軟組織に近い優れた機械的特性を持つことから、注目を集めている。本報告では、アルギン酸塩とアクリルアミドからなる延伸可能な二重網状ハイドロゲルにプラズモニック金ナノロッド(AuNR)を組み込んだ。金ナノロッドの濃度と表面化学がヤング率や破断伸度などのバルク機械的特性に与える影響を調べた。臭化セチルトリメチルアンモニウム，チオール化ポリエチレングリコール，11-メルカプトウンデカン酸の3種類の表面化学的特性を持つAuNRをアルギン酸/ポリアクリルアミドヒドロゲルに分散させることに成功した。このAuNRを担持したヒドロゲルは可逆的に延伸することができ、偏光光学分光法によって判断されるように、延伸方向に沿ってAuNRが可逆的に配向することができた。また、適切な表面化学的処理を行うことで、ハイドロゲルナノロッド複合体は、破断することなく、初期の長さの3000%以上まで延伸することができた。これらの結果から、プラズモニック金ナノロッドは多成分ポリマー系に十分に分散させることができ、特定の表面化学的特性によりバルクの機械的特性を向上させることができ、AuNRの配向はマトリックス上のひずみを変化させることで制御できることが示された。

Double-network hydrogels have attracted much attention because of their superior mechanical properties, which are more similar to rubbers and soft tissues than classic hydrogels. In this report, plasmonic gold nanorods (AuNRs) were incorporated into a stretchable double-network hydrogel, composed of alginate and acrylamide. The impact of gold nanorod concentration and surface chemistry on bulk mechanical properties such as Young's modulus and elongation at break was investigated. AuNRs with three different surface chemistries, cetyltrimethylammonium bromide, thiolated poly(ethylene glycol), and 11-mercaptoundecanoic acid were successfully dispersed into alginate/polyacrylamide hydrogels. The AuNR-loaded hydrogels could be reversibly stretched, leading to AuNR reversible alignment along the stretch direction as judged by polarized optical spectroscopy. With the proper surface chemistry, hydrogel nanorod composites were able to be stretched to more than 3000% their initial length without fracturing. These results show that plasmonic gold nanorods can be well dispersed in multi-component polymer systems, certain surface chemistries can enhance the bulk mechanical properties, and AuNR orientation can be controlled through varying strains on the matrix.