Materiales naturales como piel, el cartílago y los tendones son lo suficientemente resistentes como para soportar nuestro peso corporal y nuestros movimientos, pero lo suficientemente flexibles como para que no se rompan fácilmente. Aunque damos por sentado estas propiedades, replicar esta combinación única en materiales sintéticos es mucho más difícil de lo que parece. Ahora, Los científicos de la EPFL han desarrollado una nueva forma de hacer polímeros compuestos flexibles que imitan más de cerca a los materiales que se encuentran en el mundo natural. Su avance descrito en un documento que aparece en Materiales funcionales avanzados , podría tener aplicaciones en campos como la robótica blanda y los implantes protésicos de cartílago.

Normalmente, Los hidrogeles sintéticos se dividen en dos categorías de materiales muy diferentes. El primer tipo, que incluye vidrio de ventana y algunos polímeros, son duros y resistentes, pero notoriamente malos para absorber energía:incluso la más mínima grieta puede extenderse a través de la estructura. Los materiales del segundo grupo son más capaces de resistir el agrietamiento, pero hay una compensación:son extremadamente suaves, tan suaves, De hecho, que no pueden soportar cargas pesadas. Sin embargo, algunos compuestos naturales, hechos de una combinación de materiales biológicos y proteínas, incluido el colágeno, son fuertes y resistentes a las grietas. Deben estas propiedades a su estructura altamente precisa, desde la escala nano a la milimétrica:por ejemplo, las fibras tejidas se organizan en estructuras más grandes, que a su vez se arreglan para formar otras estructuras, etcétera.

"Todavía estamos muy lejos de poder controlar la estructura de los materiales sintéticos en tantas escalas diferentes, "dice Esther Amstad, profesor asistente en el Laboratorio de Materiales Blandos de la EPFL y autor principal del artículo. Sin embargo, Matteo Hirsch y Alvaro Charlet, dos asistentes de doctorado que trabajan bajo la dirección de Amstad, han ideado un nuevo enfoque para la construcción de compuestos sintéticos. tomando sus señales del mundo natural. "En naturaleza, los bloques de construcción básicos están encapsulados en compartimentos, que luego se publican de una manera altamente localizada, "explica Amstad." Este proceso proporciona un mayor control sobre la estructura final y la composición local de un material. Adoptamos un enfoque similar organizar nuestros propios bloques de construcción en compartimentos y luego ensamblarlos en una superestructura ".

Primero, los científicos encapsularon monómeros en gotitas de una emulsión de agua y aceite, que sirven como compartimentos. Dentro de las gotitas los monómeros se unen para formar una red de polímeros. En este punto, las micropartículas son estables pero las interacciones entre ellas son débiles, lo que significa que el material no se mantiene bien unido. Próximo, las micropartículas, que son muy porosas como esponjas, se empaparon en otro tipo de monómero antes de que el material se redujera para formar una especie de pasta. Su apariencia, como dice Álvaro Charlet, es "un poco como arena húmeda que puede convertirse en un castillo de arena".

Luego, los científicos imprimieron la pasta en 3D y la expusieron a la radiación ultravioleta. Esto provocó que los monómeros añadidos en el segundo paso se polimerizaran. Estos nuevos polímeros se entrelazan con los formados anteriormente en el proceso, endureciendo así la pasta. Eso resultó en un excepcionalmente fuerte, material resistente. El equipo de investigación demostró que un tubo que mide solo 3 mm de ancho puede soportar una carga de tracción de hasta 10 kg y una carga de compresión de hasta 80 kg sin dañar su integridad estructural.

Su descubrimiento tiene usos potenciales en robótica blanda, donde los materiales que imitan las propiedades de los tejidos vivos son muy buscados. El innovador proceso también podría aplicarse para desarrollar materiales biocompatibles para implantes protésicos de cartílago.