Así como los medicamentos de liberación controlada distribuyen lentamente su carga después de que experimentan un cambio de pH en el cuerpo, Los "músculos artificiales" implantados podrían algún día flexionarse y relajarse en respuesta a la luz que ilumina la piel. En estudios piloto, Los científicos han desarrollado un nuevo material que se expande y contrae, levantar un peso simplemente alumbrarlo con una luz.

Los investigadores presentarán sus resultados hoy en la Reunión y Exposición Nacional de Primavera de 2019 de la American Chemical Society (ACS).

"Hemos desarrollado un nuevo polímero que tiene un mecanismo novedoso para activar materiales:hacer que los materiales se contraigan, expandir o retener una 'memoria' de una forma particular, todo con un simple estímulo, "dice Jonathan Barnes, Doctor.

Hasta la fecha, se han aplicado materiales sensibles a los estímulos en muchas industrias diferentes. Por ejemplo, algunos de ellos cambian de color y se utilizan como revestimientos de parabrisas para sombrear instantáneamente a los conductores bajo un sol cegador. Otros materiales se pueden formar en recipientes que responden a los cambios en las concentraciones de nutrientes y alimentan los cultivos agrícolas según sea necesario. Otras aplicaciones más se encuentran en el área biomédica.

Barnes y su equipo de la Universidad de Washington en St. Louis (WUSTL) están analizando su nuevo polímero para determinar para qué es particularmente adecuado. Pero el objetivo principal ha sido ver si el material puede funcionar, un rasgo que podría facilitar el desarrollo de un músculo artificial.

Durante la escuela de posgrado, Barnes estudió un grupo de moléculas, conocidos como viológenos, que cambian de color con la suma y resta de electrones. Barnes sospechaba que si estas moléculas estaban unidas, se doblarían como un acordeón porque las áreas que aceptan un solo electrón se reconocen entre sí. También se preguntó si la acción de las moléculas plegables podría hacer que una red tridimensional se moviera, y si podía hacer que el proceso fuera reversible.

Para abordar estos problemas, El equipo de Barnes en WUSTL sintetizó cadenas de polímeros con viológenos en su columna vertebral. Cuando se iluminó una luz LED azul sobre las moléculas, se plegaron en pliegues con la ayuda de catalizadores fotorredox conocidos que pueden transferir electrones a los viológenos. A continuación, los investigadores incorporaron los polímeros en un hidrogel 3-D soluble en agua. Cuando el equipo iluminó el gel, el efecto de acordeón que se produjo dentro de la molécula tiró el gel sobre sí mismo, provocando que el material se arrugue a una décima parte de su tamaño original. Cuando se apagó la luz, el material se expandió. A medida que el hidrogel incrustado en polímero cambió de forma, también cambió de color.

"La belleza de nuestro sistema es que podemos tomar un poco de nuestro polímero, llamado poliviógeno, y ponerlo en cualquier tipo de red 3-D, convirtiéndolo en un material sensible a los estímulos, "Dice Barnes. Menos del uno por ciento del peso del hidrogel necesita contener polivológeno para obtener una respuesta. Por lo tanto, el polímero no impone un efecto significativo sobre las otras propiedades del material en el que está contenido.

Para saber si el material podría funcionar, el grupo unió el gel a una tira de cinta aislante con un trozo de alambre al final. Suspendieron un pequeño peso del cable y colgaron el hidrogel frente a una luz azul. El gel levantó el peso, que era aproximadamente 30 veces la masa del polivológeno incrustado, y después de cinco horas, se elevó varios centímetros.

El grupo ha hecho ahora otros ajustes, incluyendo hacer que los geles sean más fuertes y elásticos, y hacer que se muevan más rápido. Y los investigadores han desarrollado polímeros que responden a múltiples estímulos a la vez. También han construido geles que responden a la luz en diferentes longitudes de onda. Materiales que responden a la luz roja o infrarroja cercana, que puede penetrar el tejido humano, podría utilizarse en aplicaciones biomédicas, como dispositivos de administración de fármacos o, finalmente, como músculos artificiales.

Barnes dice que su grupo solo ha comenzado a probar los límites de estos nuevos materiales. En la actualidad, el equipo está estudiando las propiedades de autocuración de los hidrogeles incrustados en polivológeno, y están explorando la posibilidad de imprimir los polímeros en 3D en diferentes tipos de materiales.