Los músculos esqueléticos humanos tienen una combinación única de propiedades que los investigadores de materiales buscan para sus propias creaciones. Son fuertes suave, lleno de agua, y resistente a la fatiga. Un nuevo estudio realizado por investigadores del MIT ha encontrado una forma de darles a los hidrogeles sintéticos este paquete total de características:someterlos a un entrenamiento vigoroso.

En particular, los científicos entrenaron mecánicamente los hidrogeles estirándolos en un baño de agua. Y al igual que con los músculos esqueléticos, los representantes en el "gimnasio" dieron sus frutos. El entrenamiento alineó las nanofibras dentro de los hidrogeles para producir un fuerte, suave, y material hidratado que resiste la rotura o la fatiga durante miles de movimientos repetitivos.

Los hidrogeles de alcohol polivinílico (PVA) entrenados en el experimento son biomateriales bien conocidos que los investigadores utilizan para implantes médicos. recubrimientos de drogas, y otras aplicaciones, dice Xuanhe Zhao, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Pero uno con estas cuatro importantes propiedades no ha sido diseñado ni fabricado hasta ahora".

En su papel publicado esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Zhao y sus colegas describen cómo los hidrogeles también pueden imprimirse en 3D en una variedad de formas que pueden entrenarse para desarrollar el conjunto de propiedades similares a los músculos.

En el futuro, los materiales pueden usarse en implantes como "válvulas cardíacas, reemplazos de cartílago, y discos espinales, así como en aplicaciones de ingeniería como robots blandos, "Dice Zhao.

Otros autores del MIT en el artículo incluyen al estudiante graduado Shaoting Lin, postdoctorado Ji Liu, y la estudiante de posgrado Xunyue Liu en el laboratorio de Zhao.

Entrenamiento de fuerza y ​​más

Los excelentes tejidos naturales que soportan cargas, como los músculos y las válvulas cardíacas, son una inspiración biológica para los investigadores de materiales. pero ha sido un gran desafío diseñar materiales que capturen todas sus propiedades simultáneamente, Dice Zhao.

Por ejemplo, se puede diseñar un hidrogel con fibras altamente alineadas para darle fuerza, pero puede que no sea tan flexible como un músculo, o puede que no tenga el contenido de agua que lo hace compatible para su uso en humanos. "La mayoría de los tejidos del cuerpo humano contienen alrededor del 70 por ciento de agua, así que si queremos implantar un biomaterial en el cuerpo, un mayor contenido de agua es más deseable para muchas aplicaciones en el cuerpo, "Zhao explica.

El descubrimiento de que el entrenamiento mecánico podía producir un hidrogel parecido a un músculo fue algo así como un accidente, dice Lin, el autor principal del estudio PNAS. El equipo de investigación había estado realizando pruebas de carga mecánica cíclica en los hidrogeles, tratando de encontrar el punto de fatiga donde los hidrogeles comenzarían a descomponerse. En cambio, se sorprendieron al descubrir que el entrenamiento cíclico en realidad fortalecía los hidrogeles.

"El fenómeno de fortalecimiento en hidrogeles después de la carga cíclica es contrario a la comprensión actual sobre la fractura por fatiga en hidrogeles, pero comparte la similitud con el mecanismo de fortalecimiento muscular después del entrenamiento, "dice Lin.

Antes de entrenar, las nanofibras que componen el hidrogel están orientadas al azar. "Durante el proceso de formación, lo que nos dimos cuenta es que estábamos alineando las nanofibras, "dice Lin, agregando que la alineación es similar a lo que le sucede a un músculo humano bajo ejercicio repetido. Este entrenamiento hizo que los hidrogeles fueran más fuertes y resistentes a la fatiga. La combinación de las cuatro propiedades clave apareció después de aproximadamente 1, 000 ciclos de estiramiento, pero algunos de los hidrogeles se estiraron más de 30, 000 ciclos sin averiarse. La resistencia a la tracción del hidrogel entrenado, en la dirección de las fibras alineadas, aumentado en aproximadamente 4,3 veces con respecto al hidrogel sin estirar.

Al mismo tiempo, el hidrogel demostró una flexibilidad suave, y mantuvo un alto contenido de agua del 84 por ciento, los investigadores encontraron.

El factor antifatiga

Los científicos recurrieron a la microscopía confocal para observar más de cerca los hidrogeles entrenados, para ver si podían descubrir las razones detrás de su impresionante propiedad antifatiga. "Los sometemos a miles de ciclos de carga, Entonces, ¿por qué no falla? ", dice Lin." Lo que hicimos fue hacer un corte perpendicular a estas nanofibras y tratar de propagar una grieta o daño en este material ".

"Teñimos las fibras bajo el microscopio para ver cómo se deformaban como resultado del corte, [y descubrió que] un fenómeno llamado pinzamiento de grietas era responsable de la resistencia a la fatiga, "Dice Ji.

"En un hidrogel amorfo, donde las cadenas de polímero están alineadas al azar, no se necesita demasiada energía para que el daño se propague a través del gel, "Lin agrega." Pero en las fibras alineadas del hidrogel, una grieta perpendicular a las fibras se 'fija' en su lugar y se evita que se alargue porque se necesita mucha más energía para fracturar las fibras alineadas una por una ".

De hecho, los hidrogeles entrenados rompen un famoso umbral de fatiga, predicho por la teoría de Lake-Thomas, que propone la energía necesaria para fracturar una sola capa de cadenas poliméricas amorfas como las que componen los hidrogeles de PVA. Los hidrogeles entrenados son de 10 a 100 veces más resistentes a la fatiga de lo que predice la teoría, Zhao y sus colegas concluyeron.