Los investigadores de Princeton han creado un nuevo tipo de hidrogel que es reciclable, pero aún lo suficientemente resistente y estable para su uso práctico (y reutilización).
Como redes flexibles de cadenas de polímeros bañadas por agua, los hidrogeles poseen excelentes propiedades que incluyen suavidad, elasticidad y biocompatibilidad. Por este motivo, los materiales blandos ya se han utilizado ampliamente como lentes de contacto y apósitos para heridas. Los hidrogeles también son muy prometedores para los sistemas de administración de medicamentos, la agricultura y el envasado de alimentos, entre otras aplicaciones.
Desafortunadamente, los hidrogeles convencionales plantean problemas de contaminación ambiental porque no pueden reciclarse o reprocesarse de manera efectiva. Los hidrogeles también se degradan con el uso prolongado. Los investigadores dijeron que estas limitaciones se derivan de la estructura de los materiales.
Los hidrogeles convencionales dependen de enlaces químicos para su firmeza y capacidad de absorber agua y otros disolventes. A nivel químico, estos enlaces están entrecruzados, lo que significa que se forman enlaces entre diferentes moléculas de polímero dentro del hidrogel. Esta reticulación, característica de las resinas sometidas a curado o vulcanización del caucho, confiere a los hidrogeles flexibilidad y resistencia. Pero también hace que sea extremadamente difícil separarlos en componentes para su reciclaje.
La autora principal del estudio, Xiaohui Xu, investigadora postdoctoral, trabajó anteriormente con hidrogeles para su uso en la purificación del agua y se preguntó si podría crear un hidrogel más sostenible desde el punto de vista ambiental. Xu y sus colegas adoptaron un nuevo enfoque para construir hidrogeles. En lugar de depender de enlaces químicos para conectar diferentes polímeros, los investigadores decidieron aprovechar la separación de fases, un fenómeno familiar en el que los líquidos mezclados, como el aceite y el agua, se separan en componentes.
"Los hidrogeles ofrecen un enorme beneficio social, pero su falta de sostenibilidad se ha convertido en un problema importante", dijo Xu, investigador postdoctoral en el laboratorio de Rodney Priestley, profesor Pomeroy y Betty Perry Smith de Ingeniería Química y Biológica en Princeton. "En este estudio, hemos demostrado cómo aprovechar la separación de fases puede dar lugar a nuevos tipos de hidrogeles que sean duraderos y reciclables y que aún tengan buenas propiedades mecánicas".
Los investigadores describieron el proceso en un estudio titulado "Geles supramoleculares separados en fases resistentes y reciclables mediante un ciclo de deshidratación-hidratación", publicado en JACS Au. en septiembre.
Para fabricar el nuevo hidrogel, los investigadores formularon polímeros con una relación compleja y variable con el agua. Las moléculas de polímero son largas cadenas de moléculas más pequeñas (llamadas monómeros). Los investigadores crearon polímeros que aman el agua en algunas secciones de la cadena y repelen el agua en otras secciones. Cuando agregaron agua a la mezcla de polímeros, partes de los polímeros absorbieron el agua, mientras que otras partes la repelieron. Esta tensión le dio al hidrogel su fuerza estructural.
A diferencia de los hidrogeles convencionales, la resistencia se basa en características físicas y no en enlaces químicos entre los polímeros. Por lo tanto, reciclar el hidrogel en los polímeros que lo componen es relativamente fácil, al igual que deshidratar y rehidratar repetidamente el material.
Es más, dijo Xu, el proceso permite a los ingenieros adaptar las características de un hidrogel ajustando los componentes de los polímeros. El equipo de investigación aprovechó esto para crear un hidrogel que podía cortarse y moldearse en cualquier forma deseada. Para la investigación, Xu hizo un pulpo.
"Xiaohui utilizó la separación de fases como una forma de controlar la morfología y, en última instancia, las propiedades de estos materiales de hidrogel", dijo Priestley, autor principal del artículo y decano de la Escuela de Graduados de Princeton. "Este trabajo demuestra un enfoque respetuoso con el medio ambiente para fabricar hidrogeles resistentes y reutilizables".
Los investigadores de Princeton pusieron a prueba el nuevo hidrogel, probando su estabilidad en condiciones ácidas y alcalinas extremas y en aire y agua. En general, el hidrogel se mantuvo y funcionó como se esperaba.
Con pruebas y desarrollo adicionales, el nuevo material podría hacer que las aplicaciones existentes y emergentes de hidrogeles, como músculos artificiales y robots blandos para una operación segura en presencia de humanos, sean más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente.
"Nuestro enfoque general para los hidrogeles reciclables podría ayudar a ampliar sus aplicaciones en todo tipo de áreas", afirmó Xu. "Los beneficios de los hidrogeles ahora pueden aprovecharse mejor sin los costes medioambientales."
Xu dijo que a largo plazo, el equipo de investigación está explorando si los hidrogeles podrían eventualmente servir como sustitutos de los plásticos en muchas aplicaciones. Si ese es el caso, los hidrogeles avanzados podrían convertirse en una solución reciclable a la contaminación plástica que amenaza a los océanos.
Más información: Xiaohui Xu et al, geles supramoleculares resistentes y reciclables con fases separadas mediante un ciclo de deshidratación-hidratación, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00326
Proporcionado por la Universidad de Princeton
