MIT fabrica hidrogel resistente que no se seca

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El material a base de agua se podría utilizar para hacer piel artificial y lentes de contacto duraderas.

Los hidrogeles fabricados principalmente de agua, son materiales poliméricos de tipo gelatina elásticos y absorbentes hasta que inevitablemente se secan.

Ahora ingenieros del MIT han encontrado una manera de evitar que los hidrogeles se deshidraten, con una técnica que podría conducir a lentes de contacto de mayor duración, dispositivos microfluídicos elásticos, bioelectrónica flexible e incluso piel artificial.

Los ingenieros, dirigidos por Xuanhe Zhao, Robert N. Noyce Profesor de Desarrollo de Carrera en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, idearon un método para unir robustamente los hidrogeles a los elastómeros, polímeros elásticos como el caucho y la silicona que son elásticos e impermeables al agua.

Los investigadores descubrieron que los hidrogeles con revestimiento de una delgada capa de elastómero proporcionaban una barrera de retención de agua que mantenía el hidrogel húmedo, flexible y robusto.

Zhao dice que el grupo tomó la inspiración para su diseño de la piel humana, que se compone de una capa externa, la epidermis, unida a una capa subyacente, la dermis.

La epidermis actúa como un escudo, protegiendo la dermis y su red de nervios y capilares, así como el resto de los músculos y órganos del cuerpo, de la desecación.

El híbrido de hidrogel-elastómero del equipo es similar en diseño a, y de hecho varias veces más resistente que, el enlace entre la epidermis y la dermis.

Además, los investigadores están explorando varias aplicaciones para el material híbrido, incluyendo la piel artificial.

En el mismo trabajo, informan que inventaron una técnica para modelar pequeños canales en el material híbrido, similar a los vasos sanguíneos.

También han incorporado complejos circuitos iónicos en el material para imitar las redes nerviosas.

“Esperamos que este trabajo allane el camino a la piel sintética, o incluso a los robots con una piel suave y flexible con funciones biológicas”, dice Zhao.

En diciembre de 2015, el equipo de Zhao informó que habían desarrollado una técnica para lograr una unión extremadamente robusta de hidrogeles a superficies sólidas como el metal, la cerámica y el vidrio.

Los investigadores utilizaron la técnica para integrar sensores electrónicos dentro de los hidrogeles para crear un vendaje “inteligente”.

Sin embargo, encontraron que el hidrogel eventualmente se secaría, perdiendo su flexibilidad.

Otros han intentado tratar los hidrogeles con sales para prevenir la deshidratación, lo que Zhao dice que es eficaz, pero este método puede hacer que un hidrogel sea incompatible con los tejidos biológicos.

En cambio, los investigadores, inspirados por la piel, razonaron que recubrir hidrogeles con un material que era similarmente elástico pero también resistente al agua sería una mejor estrategia para prevenir la deshidratación.

Pronto aterrizaron en los elastómeros como el revestimiento ideal, aunque el material de goma venía con un reto importante: era intrínsecamente resistente a la unión con hidrogeles.

“La mayoría de los elastómeros son hidrofóbicos, lo que significa que no les gusta el agua”, dice Yuk.

“Pero los hidrogeles son una versión modificada del agua. Así que estos materiales no se gustan mucho y por lo general no pueden formar una buena adhesión”.

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Después de buscar en la literatura sobre agentes químicos de unión, los investigadores encontraron un compuesto candidato que podría traer unir hidrogeles y elastómeros: benzofenona, que se activa a través de la luz ultravioleta (UV).

Después de sumergir una delgada lámina de elastómero en una solución de benzofenona, los investigadores envolvieron el elastómero tratado alrededor de una lámina de hidrogel y expusieron el híbrido a luz UV.

Encontraron que después de 48 horas en un ambiente de laboratorio seco, el peso del material híbrido no cambió, indicando que el hidrogel retenía la mayor parte de su humedad.

También midieron la fuerza requerida para separar los dos materiales, y encontraron que para separarlos se necesitaban 1.000 julios por metro cuadrado, mucho más alta que la fuerza necesaria para pelar la epidermis de la piel de la dermis.

“También podemos estirar el material hasta siete veces su longitud original, y la unión se mantiene”.

Tomando la comparación con la piel un paso más allá, el equipo ideó un método para grabar pequeños canales dentro del híbrido hidrogel-elastómero para simular una red simple de vasos sanguíneos.

Primero curaron un elastómero común sobre un molde de oblea de silicio con un patrón simple de tres canales, grabando el patrón sobre el elastómero usando litografía blanda.

A continuación, sumergieron el elastómero estampado en benzofenona, pusieron una lámina de hidrogel sobre el elastómero y expusieron ambas capas a la luz ultravioleta.

En los experimentos, los investigadores pudieron fluir el colorante rojo, azul y verde de alimentos a través de cada canal en el material híbrido.

Yuk dice que en el futuro, el material híbrido-elastómero puede ser utilizado como un vendaje microfluídico elástico, para entregar los medicamentos directamente a través de la piel.

Los investigadores también exploraron el potencial del material híbrido como un complejo circuito iónico.

Una red neural es tal circuito; los nervios de la piel envían iones hacia adelante y hacia atrás para señalar sensaciones como el calor y el dolor.

Zhao dice que los hidrogeles, compuestos principalmente de agua, son conductores naturales a través de los cuales los iones pueden fluir.

La adición de una capa de elastómero, dice, actúa como un aislante, evitando que los iones escapen – una combinación esencial para cualquier circuito.

Para hacerla conductora de iones, los investigadores sumergieron el material híbrido en una solución concentrada de cloruro de sodio, a continuación, conectó el material a una luz LED.

Al colocar electrodos en cada extremo del material, fueron capaces de generar una corriente iónica que encendió la luz.

“Podemos estirarlos, y todavía mantienen conectividad y función”.

“Entre muchas [aplicaciones], puedo imaginar pieles artificiales inteligentes que se implantan y proporcionan una ventana para interactuar con el cuerpo para monitorear la salud, detectar patógenos y entregar drogas”.

A continuación, el grupo espera poder probar aún más el potencial del material híbrido en una serie de aplicaciones, incluyendo electrónica portátil y vendas bajo demanda de fármacos, así como lentes de contacto incrustadas en circuitos.

Fuente: MIT