Un medidor de tensión separa muestras de hidrogel. (Superior) Un gel típico con una muesca en el lado izquierdo se rompió poco después de estirarlo. (Medio) El nuevo gel autorreforzado tenía una muesca en el lado izquierdo, ya pesar de esto, mantuvo la integridad cuando se estiró más que un hidrogel típico. (Inferior) Un diagrama de las cadenas de polietilenglicol (PEG) y los anillos de hidroxipropil-α-ciclodextrina (HPαCD) que se estiran y relajan. Crédito:© 2021 Mayumi et al.
Los hidrogeles son materiales poliméricos hechos principalmente de agua. Se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones médicas y de otro tipo. Sin embargo, las encarnaciones anteriores de los materiales sufrieron repetidas tensiones mecánicas y se deformarían fácilmente. Un cristal novedoso que puede formarse y deformarse de forma reversible, permite que los hidrogeles se recuperen rápidamente del estrés mecánico. Esto abre el uso de dichos materiales biocompatibles en el campo de las articulaciones y ligamentos artificiales.
Muchos de nosotros sufrimos alguna lesión deportiva ocasional o experimentamos algún tipo de dolor relacionado con las articulaciones y ligamentos en algún momento de nuestras vidas. Para lesiones graves de esta naturaleza, A menudo, es poco lo que se puede hacer para reparar el daño. Pero un nuevo desarrollo en el campo de los materiales poliméricos ricos en agua conocidos como hidrogeles podría llegar a la sala de operaciones en unos 10 años aproximadamente. Y deben resistir las mismas tensiones mecánicas que experimentan nuestros tejidos naturales de articulaciones y ligamentos. Se llaman geles autoreforzados.
"El problema con los hidrogeles existentes es que pueden ser mecánicamente débiles y, por lo tanto, deben reforzarse, ", dijo el profesor asociado Koichi Mayumi del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio". Sin embargo, Los métodos anteriores para endurecerlos solo funcionan un número limitado de veces, oa veces solo una vez. Esos geles no se recuperan bien rápidamente de tensiones tales como impactos. Por tanto, analizamos otros materiales que muestran una gran capacidad de recuperación, como el caucho natural. Inspirándome en estos, Creamos un hidrogel que exhibe una dureza y una capacidad de recuperación similares al caucho, al tiempo que mantiene la flexibilidad ".
Los ejemplos anteriores de hidrogeles endurecidos utilizan los llamados enlaces de sacrificio que se rompen cuando se deforman. La destrucción de los enlaces sacrificiales disiparía la energía mecánica dando resistencia al material, pero los lazos de sacrificio tomarían tiempo, a veces minutos, para recuperar. Y a veces no se recuperaban en absoluto.
A diferencia de, Mayumi y su equipo introdujeron cristales que se ensamblan en formas rígidas bajo tensión, pero muy rápidamente vuelve a un estado de gel cuando se libera la tensión. En otras palabras, el hidrogel general es extremadamente flexible en reposo pero se reafirma con el impacto, al igual que los cauchos naturales. Las estructuras cristalinas están compuestas por cadenas de polietilenglicol (PEG) unidas por anillos de hidroxipropil-α-ciclodextrina (HPαCD) en un hidrogel a base de agua.
Ilustraciones esquemáticas y fotos de gel auto-reforzado con pre-muesca al estirar y soltar. La cristalización inducida por deformación en la punta de la grieta evita la propagación de la grieta. Crédito:Mayumi et al., Ciencia (2021)
"Como los hidrogeles contienen más del 50% de agua, se consideran altamente biocompatibles, esencial para aplicaciones médicas, ", dijo Mayumi." La siguiente etapa de la investigación para nosotros es probar diferentes arreglos de moléculas. Si podemos simplificar las estructuras que usamos, entonces podremos reducir el costo de los materiales, lo que también ayudará a acelerar su adopción por parte de la industria médica ".
