Las fibras poliméricas estirables tienen un impacto significativo, aunque su producción requiere métodos ambientales rigurosos y consumo de recursos. El proceso es un desafío para los polímeros elásticos con capacidad de hilado reducida y alto rendimiento, como siliconas, polidimetilsiloxano y ecoflex.
Guoxu Zhao y un equipo de científicos en ingeniería médica, ciencia de materiales y ciencias de la vida en China han presentado un método de hilado de microfluidos asistido por hidrogel para abordar tales desafíos, lo que lograron encapsulando prepolímeros dentro de un hidrogel largo, protector y de sacrificio. fibras.
La investigación ha sido publicada en la revista Science Advances .
Diseñaron aparatos simples y regularon las autoadaptaciones fluídicas e interfaciales de los flujos de aceite/agua para producir con éxito fibras con un diámetro ampliamente regulado, una longitud notable y alta calidad. El método permitió remodelar de forma fácil y eficaz las fibras helicoidales para lograr una capacidad de estiramiento y una regulación mecánica excepcionales.
Las fibras tienen aplicaciones potenciales como componentes textiles y dispositivos optoelectrónicos. El método proporciona un camino poderoso para producir en masa fibras elásticas de alta calidad.
Las fibras intrínsecamente estirables tienen aplicaciones generalizadas en comparación con las fibras no estirables, donde las fibras estirables pueden conservar sus funciones bajo dinámica mecánica para realizar usos específicos. Se pueden incorporar polímeros estirables para desarrollar biomateriales y bioelectrónica y se presta cada vez más atención a su capacidad para adaptarse a los cuerpos humanos.
Sin embargo, la fabricación y el uso a gran escala de materiales son limitantes dentro de los polímeros elásticos hilables, incluidos el poliuretano y el poli(estireno-co-etileno butileno-co-estireno). Los materiales se pueden procesar utilizando métodos de hilado tradicionales.
Estos polímeros hilables se pueden preparar en masas fundidas o soluciones que tienen forma de fluidos similares a fibras. Los hidrogeles de alginato, formados así entre moléculas de alginato y cationes, se utilizan ampliamente por su biocompatibilidad, biodegradabilidad y propiedades mecánicas ajustables.
Para realizar una técnica de hilado adecuada para prepolímeros de fase oleosa y curado lento, el equipo desarrolló un sistema de hilado de microfluidos para encapsular los prepolímeros con fibras de hidrogel de alginato y estudió los mecanismos e influencias relacionados.
El método de hilado de microfluidos asistido por hidrogel (HAMS)
Un método de hilado de microfluidos asistido por hidrogel simple, eficaz y escalable puede, a temperatura ambiente y en ausencia de un disolvente orgánico, producir fibras estirables basadas en prepolímeros en fase oleosa. Los prepolímeros y la solución acuosa de alginato de sodio se pueden coextruir en una solución acuosa de cloruro de calcio para crear una fibra/cubierta de hidrogel. El método HAMS puede realizar geometrías de fibras para remodelar la producción de fibras helicoidales. El potencial de aplicación del método se demuestra mediante la producción de fibras a partir de diferentes prepolímeros para investigar su versatilidad.
El equipo de investigación estudió la influencia de la viscosidad del flujo en el hilado de fibras utilizando polidimetilsiloxano líquido (PDMS) y PDMS tixotrópico, que respondieron de manera diferente a los caudales.
Los científicos exploraron la aplicabilidad del método HAMS utilizando Ecoflex, silicona neutra y PDMS compuesto de nanotubos de carbono. El método HAMS es muy prometedor para producir fibras estirables basadas en prepolímeros en fase oleosa. Los científicos exploraron más a fondo cómo la autoadaptación fluídica e interfacial medió los mecanismos de giro de la fase oleosa. Las fibras hiladas desarrolladas mediante el método HAMS son un hidrogel protector y flexible para propiedades y funciones mecánicas favorables.
El equipo reformuló las estructuras helicoidales levantando fibras de hilado de aire de una solución de cloruro de calcio y envolviéndolas en plantillas de varillas para formar fibras helicoidales con estructuras uniformes, una amplia gama de tamaños y una excelente estabilidad. El método ofrece un enfoque ampliamente regulado para crear fibras helicoidales extremadamente estirables. Con estos principios básicos, las estructuras helicoidales regulares se pueden envolver fácil y eficazmente para producir fibras helicoidales.
Zhao y sus colegas evaluaron el papel de las mezclas reológicas de prepolímeros con diferentes proporciones de volumen de PDMS y ajustaron los tamaños de las agujas para indicar la posibilidad de realizar el método de hilado de microfluidos asistido por hidrogel. Si bien este proceso de encapsular aceites de baja viscosidad con fibras de hidrogel está bien estudiado, es importante estudiar los mecanismos y las estrategias de optimización del método de hilado de microfluidos asistido por hidrogel.
También estudiaron el rendimiento de detección portátil de las fibras ópticas PDMS para crear señales de flexión y contacto con los dedos adecuadas para ingresar y transmitir información Morse; como sensores mecánicos portátiles.
Zhao y sus colegas investigaron más a fondo el rendimiento de detección mecánica de las fibras, donde la resistencia respondía con precisión al estiramiento cíclico con diferentes tensiones. Los resultados resaltaron el potencial de aplicación del método para producir sensores de tensión portátiles rectos basados en fibra y conductores ultraestirables.
Perspectivas
De esta manera, Guoxu Zhao y su equipo desarrollaron un método de hilado de microfluidos asistido por hidrogel para producir prepolímeros en fase oleosa de curado lento, basados en fibras estirables. Este método de hilado de microfluidos asistido por hidrogel se puede realizar sin fundir ni disolver polímeros mediante un alto consumo de energía o disolvente orgánico, como una estrategia económica y ambientalmente favorable. Al utilizar prepolímeros de curado rápido junto con una jeringa de dos componentes y un cabezal mezclador, se puede acelerar el proceso de curado.
Más información: Guoxu Zhao et al, Hilado de microfluidos asistido por hidrogel de fibras elásticas mediante autoadaptaciones fluídicas e interfaciales, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj5407
Información de la revista: Avances científicos
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