(Phys.org) —Cuando se rompe la pata de una silla o se rompe un teléfono celular, debe ser reparado o reemplazado. Pero, ¿y si estos materiales pudieran programarse para regenerarse por sí mismos, reponer los componentes dañados o faltantes, y de ese modo extender su vida útil y reducir la necesidad de costosas reparaciones?

Ese potencial ahora es posible según los investigadores de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh, quienes han desarrollado modelos computacionales para diseñar un nuevo gel de polímero que permitiría que los materiales complejos se regeneren por sí mismos. El artículo, "Aprovechamiento de nanobarras interfacialmente activas para regenerar geles poliméricos cortados", fue publicado el 19 de noviembre en la revista American Chemical Society Nano letras .

La investigadora principal es Anna C. Balazs, Doctor, el Distinguido Robert v. d. de la Escuela Swanson. Luft Professor de ingeniería química y petrolera, y los coautores son Xin Yong, Doctor, asociado postdoctoral, quién es el autor principal del artículo; Olga Kuksenok, Doctor, profesor asociado de investigación; y Krzysztof Matyjaszewski, Doctor, Profesor de Ciencias Naturales de la Universidad J.C. Warner, Departamento de Química de la Carnegie Mellon University.

"Este es uno de los santos griales de la ciencia de los materiales, "señaló el Dr. Balazs." Mientras que otros han desarrollado materiales que pueden reparar pequeños defectos, No hay investigaciones publicadas sobre sistemas que puedan regenerar secciones a granel de un material cortado. Esto tiene un impacto tremendo en la sustentabilidad porque potencialmente podría extender la vida útil de un material al darle la capacidad de volver a crecer cuando se daña ".

El equipo de investigación se inspiró en los procesos biológicos en especies como los anfibios, que puede regenerar extremidades amputadas. Este tipo de regeneración de tejido está guiado por tres conjuntos de instrucciones fundamentales:iniciación, propagación, y terminación, que el Dr. Balazs describe como una "hermosa cascada dinámica" de eventos biológicos.

"Cuando observamos los procesos biológicos detrás de la regeneración de tejidos en los anfibios, consideramos cómo replicaríamos esa cascada dinámica dentro de un material sintético, ", Dijo el Dr. Balazs." Necesitábamos desarrollar un sistema que primero sintiera la eliminación de material e iniciara el recrecimiento, luego propague ese crecimiento hasta que el material alcance el tamaño deseado y luego, auto-terminar el proceso. "

"Nuestro mayor desafío fue abordar el problema del transporte con un material sintético, "El Dr. Balazs dijo." Los organismos biológicos tienen sistemas circulatorios para lograr el transporte masivo de materiales como las células sanguíneas, nutrientes y material genético. Los materiales sintéticos no poseen intrínsecamente tal sistema, así que necesitábamos algo que actuara como un sensor para iniciar y controlar el proceso ".

El equipo desarrolló un material híbrido de nanobarras incrustadas en un gel de polímero, que está rodeado por una solución que contiene monómeros y reticulantes (moléculas que unen una cadena de polímero a otra) para replicar la cascada dinámica. Cuando se corta parte del gel, las nanovarillas cercanas al corte actúan como sensores y migran a la nueva interfaz. Las cadenas funcionalizadas o "faldones" en un extremo de estas nanobarras las mantienen localizadas en la interfaz y los sitios (o "iniciadores") a lo largo de la superficie de la varilla desencadenan una reacción de polimerización con el monómero y los reticulantes en la solución exterior. Drs. Yong y Kuksenok desarrollaron los modelos computacionales, y así estableció pautas para controlar el proceso para que el nuevo gel se comporte y aparezca como el gel que reemplazó, y terminar la reacción para que el material no crezca fuera de control.

Drs. Balazs, Kuksenok y Yong también le dan crédito a Krzysztof Matyjaszewski, que contribuyó a la comprensión de la química detrás del proceso de polimerización. "Nuestra colaboración con el Prof. Matyjaszewski fue excepcionalmente valiosa al permitirnos dar cuenta con precisión de todas las complejas reacciones químicas involucradas en los procesos de regeneración", dijo el Dr. Kuksenok.

"La parte más hermosa y desafiante fue diseñar las nanobarras para que cumplieran funciones múltiples, "Dijo el Dr. Yong." En efecto, proporcionan el vehículo perfecto para desencadenar una cascada dinámica sintética ". Las nanovarillas tienen aproximadamente diez nanómetros de espesor, como 10, 000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.

En el futuro, los investigadores planean mejorar el proceso y fortalecer los vínculos entre los geles antiguos y los recién formados, y para ello se inspiraron en otra metáfora de la naturaleza, la secuoya gigante. "Un árbol de secuoya tendrá un sistema de raíces poco profundo, pero cuando crecen en número, los sistemas de raíces se entrelazan para brindar apoyo y contribuir a su tremendo crecimiento, "El Dr. Balazs explica. De manera similar, los faldones de las nanovarillas pueden proporcionar resistencia adicional al material regenerado.

La próxima generación de investigación optimizaría aún más el proceso para hacer crecer múltiples capas, creando materiales más complejos con múltiples funciones.