Desarrollan material autoadaptable que cambia su rigidez en respuesta a la fuerza aplicada

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Bajo presión: el nuevo material bioinspirado puede ‘cambiar de forma’ por fuerzas externas.

Inspirados en cómo el hueso humano y los coloridos arrecifes de coral ajustan los depósitos minerales en respuesta a sus entornos circundantes, investigadores de Johns Hopkins han creado un material autoadaptable que puede cambiar su rigidez en respuesta a la fuerza aplicada.

Este avance algún día puede abrir las puertas para materiales que pueden reforzarse a sí mismos para prepararse para una mayor fuerza o detener más daños.

“Imagine un implante óseo o un puente que puede reforzarse por sí mismo cuando se aplica una gran fuerza sin inspección y mantenimiento.

Permitirá implantes y puentes más seguros con complicaciones mínimas, costo y tiempo de inactividad“, dice Sung Hoon Kang, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto de Materiales Extremos de Hopkins e Instituto de Tecnología NanoBio en la Universidad Johns Hopkins y autor principal del estudio.

Mientras que otros investigadores han intentado crear materiales sintéticos similares antes, hacerlo ha sido un desafío porque tales materiales son difíciles y caros de crear, o requieren un mantenimiento activo cuando se crean y están limitados en cuanto al estrés que pueden soportar.

Tener materiales con propiedades adaptables, como los de madera y hueso, puede proporcionar estructuras más seguras, ahorrar dinero y recursos y reducir el impacto ambiental dañino.

Los materiales naturales pueden autorregularse mediante el uso de recursos en el entorno circundante.

Por ejemplo, los huesos usan señales celulares para controlar la adición o eliminación de minerales tomados de la sangre que los rodea.

Inspirados por estos materiales naturales, Kang y sus colegas buscaron crear un sistema de materiales que pudiera agregar minerales en respuesta al estrés aplicado.

El equipo comenzó utilizando materiales que pueden convertir las fuerzas mecánicas en cargas eléctricas como andamios, o estructuras de soporte, que pueden crear cargas proporcionales a la fuerza externa que se le aplica.

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La esperanza del equipo era que estas cargas pudieran servir como señales para que los materiales comiencen la mineralización a partir de iones minerales en el medio ambiente.

Kang y sus colegas sumergieron películas de polímeros de estos materiales en un fluido corporal simulado que imita las concentraciones iónicas de plasma sanguíneo humano.

Después de que los materiales se incubaron en el fluido corporal simulado, los minerales comenzaron a formarse en las superficies.

El equipo también descubrió que podían controlar los tipos de minerales formados al controlar la composición de iones del fluido.

Luego, el equipo instaló una viga anclada en un extremo para aumentar gradualmente el estrés de un extremo de los materiales al otro y descubrió que las regiones con más estrés tenían más acumulación de minerales.

La altura del mineral fue proporcional a la raíz cuadrada del estrés aplicado.

Sus métodos, dicen los investigadores, son simples, de bajo costo y no requieren energía extra.

“Nuestros hallazgos pueden allanar el camino para una nueva clase de materiales de autorregeneración que pueden reforzar las áreas dañadas“, dice Kang.

Kang espera que estos materiales algún día puedan usarse como andamios para acelerar el tratamiento de enfermedades o fracturas relacionadas con los huesos, resinas inteligentes para tratamientos dentales u otras aplicaciones similares.

Además, estos hallazgos contribuyen a la comprensión de los científicos de los materiales dinámicos y cómo funciona la mineralización, lo que podría arrojar luz sobre los entornos ideales necesarios para la regeneración ósea.

Fuente: EurekAlert