Los hidrogeles sufren inevitablemente deshidratación, colapso estructural y deformación por contracción debido a la evaporación ininterrumpida en la atmósfera, perdiendo así su flexibilidad, resbaladiza y precisión de fabricación.
La investigación, publicada en el International Journal of Extreme Manufacturing , muestra cómo fabricar un tipo de material suave y resbaladizo con alta precisión en el que las moléculas de agua son propensas a la evaporación pero aún así está bien implementado con materiales funcionales estructurados de alta fidelidad.
Pero el hallazgo también podría ser extraordinariamente útil; Si quieres inventar algo revolucionario, el proceso suele comenzar con el descubrimiento de un material completamente nuevo.
"En principio, esto abre el diseño y la construcción de una clase completamente nueva de materias blandas que, húmedas y lubricantes, son fáciles de moldear y resistentes a la deshidratación en condiciones atmosféricas", dijo Xiaolong Wang, profesor del Laboratorio Estatal Clave de Lubricación sólida en el Instituto Lanzhou de Física Química de la Academia China de Ciencias y autor principal del estudio.
"Básicamente, sugiere nuevas posibilidades para materiales biolubricantes extremadamente importantes y tecnologías de procesamiento de alta precisión", afirmó Desheng Liu (asistente de investigación), primer autor del artículo.
El hidrogel es un tipo de material blando con una estructura de red reticulada tridimensional hidrófila, que se ha aplicado ampliamente en ingeniería de tejidos, apósitos para heridas, dispositivos portátiles flexibles, piel electrónica y robots blandos debido a su flexibilidad, sintonizabilidad mecánica y biocompatibilidad. , lubricidad, etc.
Con diferencia, los enfoques más antiguos, como las sales higroscópicas y los disolventes mixtos binarios de agua y orgánicos, se han introducido en los hidrogeles a granel, restringiendo la evaporación del agua en condiciones ambientales aumentando la entalpía de vaporización del agua. A pesar de la mejora de la tolerancia a la deshidratación, los hidrogeles construidos con estos medios son inevitablemente propensos a alterar propiedades como la humectabilidad, la lubricidad, la mecánica e incluso la hidratación.
Esto es ventajoso porque estos materiales son más flexibles y difíciles de procesar que los materiales duros tradicionales, pero el problema es que no son muy estables; pueden perder su flexibilidad si se exponen al aire o si la temperatura sube demasiado.
Dada la estructura biológica de la piel humana para la "retención de agua", en este documento los investigadores informan sobre una nueva estrategia bioinspirada que introduce trehalosa en la red de hidrogel para formar interacciones de enlaces de hidrógeno inducidas por trehalosa. La interacción entre trehalosa y agua puede generar la capa superficial con tolerancia a la deshidratación en la atmósfera, lo que da como resultado hidrogeles flexibles y resbaladizos.
Luego, Liu comenzó a experimentar con algunos materiales de factores humectantes naturales descubiertos hace años, pero en gran medida ignorados. Convirtió trehalosa en una solución acuosa para producir tintas fotosensibles de hidrogel y materiales de hidrogel estructurados y luego comenzó a probar sus propiedades de desecación. Por lo tanto, la trehalosa también puede actuar como un eficaz agente de retención de agua para hidrogeles al introducir fuertes interacciones de enlaces de hidrógeno para conservar las propiedades inherentes a la atmósfera.
Para sorpresa de los científicos, la introducción de trehalosa en el hidrogel puede mejorar significativamente su resistencia a la deshidratación, su rendimiento de lubricación, sus propiedades mecánicas y su precisión de fabricación. Es más, era muy estable.
"Las fuertes interacciones de enlaces de hidrógeno de tipo covalente formadas por numerosos grupos hidroxilo en la molécula de trehalosa y numerosos grupos polares en las largas cadenas poliméricas pueden conferir una ductilidad superior y tolerancia a la desecación al hidrogel resbaladizo", dijo Liu. Esto es enormemente útil para un dispositivo de material blando y resbaladizo que tiene que funcionar en entornos del mundo real.
Pero lo más sorprendente para los científicos fue que el material blando contiene agua.
"La combinación de la impresión 3D con fotopolimerización en tina y los hidrogeles modificados con trehalosa puede lograr diversos hidrogeles estereoscópicos con una resolución deseable, geometrías complicadas y microarquitecturas adaptables a nivel macroscópico debido a la superación de la contracción inducida por la desecación y la deformación por colapso en el proceso de fabricación", dijo Wang. "Como demostración de prueba de concepto, se creó un fantasma vascular de hidrogel de alta precisión para imitar la intervención con guía."
El resultado no tiene precedentes para un material de hidrogel resbaladizo. "Es casi como la piel humana:se puede retener eficazmente la humedad para evitar la evaporación excesiva y, por lo tanto, poseer una tolerancia favorable a la deshidratación", dijo Wang.
Los científicos están entusiasmados porque este descubrimiento propone un principio de diseño fundamentalmente nuevo para la fabricación de alta precisión de materiales de hidrogel. Los factores de hidratación natural son tan importantes para los materiales de hidrogel que casi cualquier desarrollo de nuevos materiales blandos abrirá nuevas fronteras para las técnicas de fabricación aditiva, explicaron.
Se cree que el método propuesto allana el camino hacia la fabricación de hidrogeles estructurales a gran escala con tolerancia a la deshidratación en la atmósfera, ampliando sus aplicaciones en entornos complejos.
El equipo también está explorando las diferentes estructuras y funciones que los materiales de hidrogel pueden producir aprovechando la impresión 3D de fotopolimerización VAT. "Creemos que propusimos una estrategia conveniente y versátil que se adapta a la fabricación de hidrogeles a gran escala con arquitecturas sofisticadas en un proceso a largo plazo", dijo Wang.
Más información: Desheng Liu et al, Hidrogel resbaladizo con "piel" tolerante a la desecación para fabricación aditiva de alta precisión, Revista Internacional de Fabricación Extrema (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ad1730
Proporcionado por la Revista Internacional de Fabricación Extrema
