Los investigadores de Princeton han descubierto que cuando el agua fluye alrededor de fibras plásticas largas, las hebras de fibras flexibles se enredan como un plato de espaguetis. En lugar de un lío confuso, sin embargo, este producto es de hecho un material muy útil conocido como hidrogel.

Investigado durante medio siglo, los hidrogeles encuentran cada vez más usos en áreas que incluyen la ingeniería de tejidos artificiales, suministro sostenido de fármacos, adhesivos quirúrgicos y bioimpresión tridimensional, al menos en parte debido a sus similitudes con el tejido vivo, siendo blando, poroso y en su mayor parte hecho de agua.

Normalmente, La generación de hidrogeles requiere reacciones químicas e interacciones entre un conjunto de materiales precursores. El nuevo hidrogel de Princeton, aunque, se forma simplemente por el efecto de cizallamiento de las fibras que se deslizan unas contra otras cuando son forzadas a través de una jeringa. Este método libre de químicos apunta hacia una nueva clase de hidrogeles inyectables que realizan tareas como taponar y tratar heridas.

"Nunca antes se había intentado estudiar el flujo de materia en suspensiones que contienen fibras tan altamente flexibles, "dijo Antonio Perazzo, coautor principal de un artículo de septiembre en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias informar la idea y describir los resultados. "La búsqueda de nuevas investigaciones nos ha dado este resultado sin precedentes de gelificación inducida por flujo con fibras flexibles".

Perazzo es investigador asociado postdoctoral en el laboratorio del coautor del artículo Howard Stone, el Profesor Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en Princeton. Perazzo comenzó la investigación como estudiante de doctorado visitante en el laboratorio de Stone. Un coautor Stefano Guido, profesor de ingeniería química en la Universidad de Nápoles en Italia, fue el Ph.D. de Perazzo. asesor.

"Notablemente, la suspensión de fibra se puede extruir a través de una aguja de jeringa como un blando completamente formado, gel extensible, "dijo Janine Nunes, investigador postdoctoral también en el laboratorio de Stone en Princeton y coautor principal del artículo. "Esta forma sencilla de crear un hidrogel podría abrir muchas aplicaciones en biomedicina".

El fenómeno que hace que las fibras se endurezcan y gelifiquen bajo tensión se conoce como engrosamiento por cizallamiento. Ordinariamente, una mezcla de fibras y agua sufrirá el efecto contrario, adelgazamiento por cizalla, y hacerse menos espeso, o viscoso, cuando se presiona; piense en cómo se sumerge una cuchara en un plato de sopa de fideos.

Pero algunos brebajes pueden responder de manera contradictoria espesando. Quizás el ejemplo más conocido sea el almidón de maíz y el agua. Bajo estrés moderado, los granos de almidón se conectan lo suficientemente fuerte como para que alguien pueda pisar el agua llena de almidón y no hundirse inmediatamente.

"YouTube está lleno de videos de personas caminando en piscinas llenas de almidón de maíz, "dijo Perazzo." Si la gente camina rápido en la piscina, no se hundirán porque la viscosidad aumenta al caminar. Eso es engrosamiento por cizallamiento ".

Los investigadores de Princeton estudiaron cómo ocurre este efecto con las microfibras que Nunes hizo en el laboratorio con diacrilato de poli (etilenglicol) (PEG-DA), un no tóxico, flexible, Plástico biocompatible. Las fibras miden 35 micrómetros de diámetro y unos 12 milímetros de largo, o unas 340 veces más largas que anchas. Cuando se pone inicialmente en agua, esas fibras existían en un flujo libre, estado desenredado. Luego, Perazzo vertió la suspensión en un dispositivo llamado reómetro, que mide cómo los fluidos responden a las fuerzas aplicadas. La mezcla llenó un espacio entre dos platos, con la placa inferior permaneciendo estacionaria mientras la placa superior giraba, aplicando presión y haciendo girar las fibras y el agua.

Las fibras dobladas en el líquido que fluye, entrelazados y enrollados en enredos y nudos. La creciente masa de fibras nudosas separadas del agua, con algo de agua atrapada dentro de ellos, creando una red llena de agua y dotando al material de una sustancia pegajosa, propiedades de tipo hidrogel. Estas propiedades se pueden alterar ajustando los diámetros y la longitud de las microfibras, que influye en el comportamiento entrelazado.

Norman Wagner, el presidente de Unidel Robert L. Pigford de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Delaware que no participó en el estudio, lo describió como "creativo e inventivo" para demostrar "nuevos, materiales microestructurados que se activan mediante campos de flujo para crear un material de hidrogel ".

"Hay una serie de tensioactivos autoensamblados y sistemas de coloides poliméricos que pueden formar 'gel de agitación' a través de medios combinados de flujo químico, "Wagner agregó, "pero este [sistema material] lo hace simplemente por topología, inteligente en verdad".

La investigación adicional examinará la mecánica del engrosamiento por cizallamiento, con miras a optimizar la gelificación del material a medida que pasa a través de una jeringa. A los investigadores también les gustaría realizar estudios sobre si la suspensión se puede combinar con partículas como antibióticos, nutrientes o biomoléculas de interés para una variedad de aplicaciones.

"Podemos imaginar que estos hidrogeles fácilmente inyectables se fabricarán para incluir diferentes tipos de fármacos beneficiosos para la cicatrización de heridas, por ejemplo, ", dijo Stone." Hay una considerable multifuncionalidad que se puede obtener de un material con estas propiedades ".