Investigadores de la Universidad de Brown han demostrado una forma de usar óxido de grafeno (GO) para agregar algo de estructura a los materiales de hidrogel hechos de alginato. un material natural derivado de las algas que se utiliza actualmente en una variedad de aplicaciones biomédicas. En un artículo publicado en la revista Carbón , los investigadores describen un método de impresión 3-D para fabricar estructuras de alginato-GO complejas y duraderas que son mucho más rígidas y más resistentes a las fracturas que el alginato solo.

"Un factor limitante en el uso de hidrogeles de alginato es que son muy frágiles, tienden a desmoronarse bajo carga mecánica o en soluciones bajas en sal. "dijo Thomas Valentin, un doctorado estudiante de la Escuela de Ingeniería de Brown que dirigió el trabajo. "Lo que mostramos es mediante la inclusión de nanohojas de óxido de grafeno, podemos hacer que estas estructuras sean mucho más robustas ".

El material también es capaz de volverse más rígido o más blando en respuesta a diferentes tratamientos químicos, lo que significa que podría usarse para fabricar materiales "inteligentes" que sean capaces de reaccionar a su entorno en tiempo real, la investigación muestra. Además, alginate-GO retiene la capacidad del alginato para repeler aceites, dando el potencial del nuevo material como un revestimiento antiincrustante resistente.

El método de impresión 3-D utilizado para fabricar los materiales se conoce como estereolitografía. La técnica utiliza un láser ultravioleta controlado por un sistema de diseño asistido por computadora para trazar patrones a través de la superficie de una solución de polímero fotoactivo. La luz hace que los polímeros se unan, formando estructuras sólidas tridimensionales a partir de la solución. El proceso de rastreo se repite hasta que se construye un objeto completo capa por capa de abajo hacia arriba. En este caso, la solución de polímero se hizo utilizando alginato de sodio mezclado con láminas de óxido de grafeno, un material a base de carbono que forma nanohojas de un átomo de espesor que son más fuertes que el acero libra por libra.

Una ventaja de la técnica es que los polímeros de alginato de sodio se unen mediante enlaces iónicos. Los enlaces son lo suficientemente fuertes para mantener unido el material, pero pueden romperse con ciertos tratamientos químicos. Eso le da al material la capacidad de responder dinámicamente a estímulos externos. Previamente, los investigadores de Brown demostraron que esta "reticulación iónica" se puede utilizar para crear materiales de alginato que se degraden a demanda, se disuelve rápidamente cuando se trata con un químico que barre los iones de la estructura interna del material.

Para este nuevo estudio, los investigadores querían ver cómo el óxido de grafeno podría cambiar las propiedades mecánicas de las estructuras de alginato. Demostraron que el alginato-GO se podía hacer dos veces más rígido que el alginato solo, y mucho más resistente a fallas por agrietamiento.

"La adición de óxido de grafeno estabiliza el hidrogel de alginato con enlaces de hidrógeno, "dijo Ian Y. Wong, profesor asistente de ingeniería en Brown y autor principal del artículo. "Creemos que la resistencia a la fractura se debe a que las grietas tienen que desviarse alrededor de las hojas de grafeno intercaladas en lugar de poder romper el alginato de manera correcta aunque homogénea".

La rigidez adicional permitió a los investigadores imprimir estructuras que tenían partes sobresalientes, lo que hubiera sido imposible usando solo alginato. Es más, el aumento de la rigidez no impidió que el alginato-GO también respondiera a estímulos externos como el alginato solo. Los investigadores demostraron que al bañar los materiales en una sustancia química que elimina sus iones, los materiales se hincharon y se volvieron mucho más blandos. Los materiales recuperaron su rigidez cuando los iones se restauraron mediante baños en sales iónicas. Los experimentos mostraron que la rigidez de los materiales podría ajustarse en un factor de 500 variando su entorno iónico externo.

Esa capacidad de cambiar su rigidez podría hacer que el alginato-GO sea útil en una variedad de aplicaciones, los investigadores dicen, incluyendo cultivos de células dinámicas.

"Podrías imaginar un escenario en el que puedas obtener imágenes de células vivas en un entorno rígido y luego cambiar inmediatamente a un entorno más suave para ver cómo podrían responder las mismas células, "Dijo Valentin. Eso podría ser útil para estudiar cómo las células cancerosas o las células inmunes migran a través de diferentes órganos en todo el cuerpo.

Y debido a que alginate-GO conserva las poderosas propiedades repelentes de aceite del alginato puro, el nuevo material podría ser un recubrimiento excelente para evitar que el aceite y otras mugre se acumulen en las superficies. En una serie de experimentos, Los investigadores demostraron que una capa de alginato-GO podría evitar que el aceite ensucie la superficie del vidrio en condiciones muy salinas. Eso podría hacer que los hidrogeles de alginato-GO sean útiles para revestimientos y estructuras utilizados en entornos marinos, dicen los investigadores.

"Estos materiales compuestos podrían usarse como un sensor en el océano que puede seguir tomando lecturas durante un derrame de petróleo, o como un revestimiento antiincrustante que ayuda a mantener limpios los cascos de los barcos, "Dijo Wong. La rigidez adicional proporcionada por el grafeno haría que tales materiales o recubrimientos sean mucho más duraderos que el alginato solo.

Los investigadores planean continuar experimentando con el nuevo material, buscando formas de agilizar su producción y continuar optimizando sus propiedades.