Usando un nuevo tipo de material de polímero dual capaz de responder dinámicamente a su entorno, Los investigadores de la Universidad de Brown han desarrollado un conjunto de componentes modulares de hidrogel que podrían ser útiles en una variedad de aplicaciones biomédicas y "robóticas blandas".

Los componentes, que están modelados por una impresora 3-D, son capaces de doblarse, retorcerse o pegarse en respuesta al tratamiento con ciertos químicos. Para un artículo publicado en la revista Química de polímeros , los investigadores demostraron una pinza blanda capaz de actuar a pedido para recoger objetos pequeños. También diseñaron bloques de construcción de hidrogel similares a LEGO que se pueden ensamblar cuidadosamente y luego sellar herméticamente para formar dispositivos de microfluidos personalizados:sistemas de "laboratorio en un chip" utilizados para la detección de drogas, cultivos celulares y otras aplicaciones.

La clave de la funcionalidad del nuevo material es su composición de polímero dual, dicen los investigadores.

"Esencialmente, el único polímero proporciona integridad estructural, mientras que el otro habilita estos comportamientos dinámicos como la flexión o la autoadhesión, "dijo Thomas Valentin, un doctorado recientemente graduado. estudiante de la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal del artículo. "Así que al poner los dos juntos se obtiene un material que es mayor que la suma de sus partes".

Los hidrogeles se solidifican cuando las hebras de polímero dentro de ellos se unen entre sí, un proceso llamado reticulación. Hay dos tipos de enlaces que mantienen unidos los polímeros reticulados:covalentes e iónicos. Los enlaces covalentes son bastante fuertes, pero irreversible. Una vez que dos hebras se unen covalentemente, es más fácil romper la hebra que romper la unión. Los enlaces iónicos, por otro lado, no son tan fuertes, pero pueden revertirse. Agregar iones (átomos o moléculas con una carga neta positiva o negativa) hará que se formen los enlaces. La eliminación de iones hará que los enlaces se deshagan.

Para este nuevo material, los investigadores combinaron un polímero que está reticulado covalentemente, llamado PEGDA, y uno que está reticulado iónicamente, llamado PAA. Los fuertes enlaces covalentes de PEGDA mantienen unido el material, mientras que los enlaces iónicos del PAA lo hacen receptivo. Poner el material en un ambiente rico en iones hace que el PAA se reticule, lo que significa que se vuelve más rígido y se contrae. Quita esos iones y el material se ablanda y se hincha a medida que se rompen los enlaces iónicos. El mismo proceso también permite que el material sea autoadhesivo cuando se desee. Ponga dos piezas separadas juntas, agregue algunos iones, y las piezas se unen firmemente.

Esa combinación de fuerza y ​​comportamiento dinámico permitió a los investigadores fabricar sus pinzas blandas. Dibujaron cada uno de los "dedos" de la pinza para tener PEGDA puro en un lado y una mezcla de PEGDA-PAA en el otro. La adición de iones hizo que el lado de PEGDA-PAA se encogiera y fortaleciera, que juntó los dos dedos de la pinza. Los investigadores demostraron que la configuración era lo suficientemente fuerte como para levantar objetos pequeños que pesaban alrededor de un gramo, y manténgalos contra la gravedad.

"Hay mucho interés en los materiales que pueden cambiar sus formas y adaptarse automáticamente a diferentes entornos, "dijo Ian Y. Wong, un profesor asistente de ingeniería y autor correspondiente del artículo. "Así que aquí demostramos un material que puede flexionarse y reconfigurarse en respuesta a un estímulo externo".

Pero potencialmente una aplicación más inmediata es en microfluidos, dicen los investigadores.

Los hidrogeles son un material atractivo para dispositivos de microfluidos, especialmente los que se utilizan en pruebas biomédicas. Son suaves y flexibles como el tejido humano, y generalmente no tóxico. El problema es que los hidrogeles a menudo son difíciles de modelar con los complejos canales y cámaras necesarios en los microfluidos.

Pero este nuevo material, y el concepto de bloque LEGO que permite, ofrece una solución potencial. El proceso de impresión 3-D permite incorporar arquitecturas microfluídicas complejas en cada bloque. Luego, esos bloques se pueden ensamblar utilizando una configuración de enchufe muy similar a la de los bloques LEGO reales. La adición de iones a los bloques ensamblados crea un sello hermético.

"Los bloques modulares de LEGO son interesantes porque podríamos crear una caja de herramientas prefabricada para dispositivos de microfluidos, ", Dijo Valentin." Tienes a mano una variedad de piezas preestablecidas con diferentes arquitecturas de microfluidos, y luego solo toma los que necesita para hacer su circuito de microfluidos personalizado. Luego los sanas juntos y está listo para funcionar ".

Y almacenar los bloques durante largos períodos antes de su uso no parece ser un problema, dicen los investigadores.

"Algunas de las muestras que analizamos para este estudio tenían tres o cuatro meses, "dijo Eric DuBois, un estudiante de Brown y coautor del artículo. "Así que creemos que podrían seguir siendo utilizables durante un período prolongado".

Los investigadores dicen que seguirán trabajando con el material, potencialmente modificando las propiedades de los polímeros para obtener aún más durabilidad y funcionalidad.