Todos encontramos geles en la vida diaria, desde las sustancias suaves y pegajosas que pones en tu cabello, hasta los componentes de gelatina en varios alimentos. Si bien la piel humana comparte características similares a gel, tiene cualidades únicas que son muy difíciles de replicar. Combina una alta rigidez con flexibilidad, y tiene capacidades de autocuración notables, a menudo curada por completo dentro de las 24 horas posteriores a la lesión.
Hasta ahora, los geles artificiales han logrado replicar esta alta rigidez o Propiedades de autocuración de la piel natural, pero no ambas. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Aalto y la Universidad de Bayreuth son los primeros en desarrollar un hidrogel con una estructura única que supera las limitaciones anteriores, abriendo la puerta a aplicaciones como la administración de medicamentos, la curación de heridas, los sensores de robótica suave y la piel artificial.
En el estudio innovador, los investigadores agregaron nanohojas de arcilla excepcionalmente grandes y ultrafinas a los hidrogeles, que son típicamente suaves y blandos. El resultado es una estructura altamente ordenada con polímeros densamente enredados entre las nanohojas, no solo mejora las propiedades mecánicas del hidrogel, sino que también permite que el material se autoequeje.
La investigación fue publicada en la revista Materiales de la naturaleza el 7 de marzo.
Curación a través de 'Entanglement'
El secreto del material se encuentra no solo en la disposición organizada de las nanohojas, sino también en los polímeros que están enredados entre ellos, y un proceso que es tan simple como hornear. El investigador postdoctoral Chen Liang mezcló un polvo de monómeros con agua que contiene nanohojas. Luego, la mezcla se colocó debajo de una lámpara UV, similar a la que se usa para establecer esmalte de uñas de gel. «La radiación UV de la lámpara hace que las moléculas individuales se unan para que todo se convierta en un sólido elástico, un gel», explica Liang.
«Enredar significa que las capas delgadas de polímero comienzan a torcerse entre sí, como pequeños hilos de lana, pero en un orden aleatorio», agrega Hang Zhang, de la Universidad de Aalto. 'Cuando los polímeros están completamente enredados, son indistinguibles el uno del otro. Son muy dinámicos y móviles a nivel molecular, y cuando los cortas, comienzan a entrelazarse nuevamente.
Cuatro horas después de cortarlo con un cuchillo, el material ya está en 80 o 90 por ciento autourado. Después de 24 horas, generalmente se repara por completo. Además, un hidrogel de un milimetre de grosor contiene 10,000 capas de nanohojas, lo que hace que el material sea tan rígido como la piel humana, y le da un grado comparable de estiramiento y flexibilidad.
'Los hidrogeles rígidos, fuertes y autocuradores han sido durante mucho tiempo un desafío. Hemos descubierto un mecanismo para fortalecer los hidrogeles convencionalmente blandos. Esto podría revolucionar el desarrollo de nuevos materiales con propiedades bioinspiradas «, dice Zhang.
Ganándose inspiración de la naturaleza
'Este trabajo es un ejemplo emocionante de cómo los materiales biológicos nos inspiran a buscar nuevas combinaciones de propiedades para materiales sintéticos. Imagine robots con pieles sólidas y autocuridecimiento o tejidos sintéticos que reparan autónomos «, dice Olli Ikkala, de la Universidad de Aalto. Y aunque puede haber algún camino por recorrer antes de la aplicación del mundo real, los resultados actuales representan un salto fundamental.» Es el tipo de descubrimiento fundamental que podría renovar las reglas del diseño material «.
La colaboración fue dirigida por el Dr. Hang Zhang, el Prof. Olli Ikkala y el Prof. Josef Breu. Las nanohojas de arcilla sintética fueron diseñadas y fabricadas por el profesor Josef Breu en la Universidad de Bayreuth en Alemania.
