En un nuevo informe en Materiales de NPG Asia , Chisa Norioka y un equipo de científicos en Ingeniería Química e Ingeniería de Materiales en Japón, detalló un método universal para preparar fácilmente hidrogeles resistentes y estirables sin estructuras especiales ni complicaciones. Ajustaron las condiciones de polimerización para formar redes con muchos entrelazamientos de cadenas de polímeros, para lograr la disipación de energía a través de los materiales resultantes. El equipo preparó los hidrogeles resistentes y estirables mediante polimerización de radicales libres utilizando una alta concentración de monómero y un bajo contenido de reticulante para optimizar el equilibrio entre reticulaciones físicas y químicas a través de entrelazamientos y enlaces covalentes. El equipo de investigación utilizó entrelazamientos de cadenas de polímeros para la disipación de energía a fin de superar los límites del bajo rendimiento mecánico para su uso en una amplia gama de hidrogeles.

Hidrogeles

Los hidrogeles consisten en redes de polímeros reticulados física y químicamente y un alto contenido de agua con un módulo de elasticidad bajo para un comportamiento sensible al estímulo. al igual que los tejidos biológicos. Como resultado, los hidrogeles tienen aplicaciones potenciales como biomateriales para sistemas de administración de fármacos, biosensores y cultivo celular. Mientras que los hidrogeles son suaves y flexibles, también son débiles y quebradizos, donde los hidrogeles estándar pueden romperse debido a una gran deformación. Para superar las bajas propiedades mecánicas de los hidrogeles, los investigadores habían diseñado estructuras de red. Los hidrogeles exhiben un comportamiento viscoelástico tanto para características viscosas como elásticas, para diseñar hidrogeles resistentes, por lo tanto, Norioka et al. centrado en las características viscosas. La viscosidad permitió relajar la tensión aplicada mediante la disipación de energía. Los investigadores produjeron redes de hidrogel con una alta densidad de cadena de polímero, con gran peso molecular entre reticulantes para una disipación de energía efectiva en todo el material. Durante los experimentos, agregaron altas concentraciones de monómeros y bajo contenido de reticulantes para formar redes de hidrogel con muchos entrelazamientos para producir los entrecruzamientos físicos. Para demostrar la estrategia, Norioka y col. usó poliacrilamida (PAAm) y poli (2-metacriloiloxietilfosforilcolina) (PMPC) como las principales cadenas de los hidrogeles.

El equipo probó las propiedades mecánicas de los hidrogeles de PAAm preparados mediante pruebas de compresión y tracción. Observaron los hidrogeles de PAAm no homogéneos formados en condiciones de polimerización, que contienen una alta concentración de monómeros y un bajo contenido de reticulante para ser más resistentes que aquellos con una estructura de red homogénea. Similar, Los hidrogeles de PAAm hinchados con una alta concentración de monómeros y un bajo contenido de reticulantes también demostraron una alta tenacidad mecánica y una alta capacidad de estiramiento. Usando curvas de tensión-deformación durante las pruebas de tracción, Norioka y col. investigó los mecanismos por los cuales los hidrogeles podrían volverse duros y elásticos. El equipo observó que los hidrogeles de PAAm preparados con un contenido de reticulante de más del 0,1 por ciento en moles tienen una tenacidad mucho menor que los preparados con un contenido de reticulante de menos del 0,1 por ciento en moles. Determinaron la densidad de reticulación experimental de los hidrogeles a partir de su módulo de elasticidad, los resultados mostraron cómo el entrelazamiento de las cadenas de polímero contribuyó a la alta tenacidad del hidrogel de PAAm con una concentración de monómero de 5,0 moles por litro y un contenido de reticulante de 0,005 por ciento en moles.

La estrategia experimental versátil

Norioka y col. utilizó las características viscosas del material para relajar la tensión aplicada mediante la disipación de energía. La disminución del contenido de reticulante mejoró la contribución de la viscosidad a las propiedades mecánicas de los hidrogeles. El equipo ajustó las condiciones para la preparación de la red en presencia de muchos enredos, para desarrollar hidrogeles resistentes y elásticos. Luego, realizaron más trabajos sobre el análisis mecánico dinámico y la homogeneidad para examinar el mecanismo en detalle. Para demostrar la versatilidad de la estrategia, Norioka y col. usó 2- (metacriloiloxi) etilfosforilcolina (MPC), un polímero bipolar biocompatible utilizado en biomedicina para preparar hidrogeles. Aunque el material tiene muchas aplicaciones potenciales en la formación de lentes de contacto, articulaciones artificiales y otros biomateriales, están en desventaja debido a la baja resistencia mecánica. Los científicos copolimerizaron el MPC y las acrilamidas, para preparar poli (2-metacriloiloxietilfosforilcolina) (PMPC), basado en un rango de concentraciones de monómeros y contenidos de reticulantes. Los hidrogeles de PMPC con un contenido de reticulante de menos de 0,1 por ciento en moles no se rompieron con una deformación de hasta el 95 por ciento y una tensión de 6 MPa; el equipo no pudo cortar los materiales con un cuchillo. Además de eso, los hidrogeles de PMPC con muchos entrelazamientos exhibieron la mayor deformación por fractura debido a grandes alargamientos. Las preparaciones con una alta concentración de monómeros y un bajo contenido de reticulantes eran, por tanto, un método universal para preparar hidrogeles tenaces y estirables. La construcción de material resultante contenía muchos enlaces cruzados físicos basados ​​en entrelazamientos de cadenas de polímeros para la disipación de energía. De este modo, el equipo pudo preparar fácilmente hidrogeles resistentes y estirables optimizando las condiciones de preparación para formar muchos entrelazamientos de cadenas de polímeros sin utilizar métodos complejos.

panorama

De este modo, Chisa Norioka y sus colegas introdujeron un método para ajustar las condiciones de polimerización sin introducir una estructura especial ni con métodos complicados. El equipo optimizó el material resultante utilizando una alta concentración de monómeros y un bajo contenido de reticulante. La estrategia es aplicable para preparar hidrogeles resistentes y estirables utilizando una variedad de polímeros. El trabajo dará lugar a muchas aplicaciones prácticas en biomedicina y bioingeniería.

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