Los investigadores crean nuevo material ‘inteligente’ con posibles usos biomédicos y ambientales

Investigadores de la Universidad de Brown han creado un material híbrido a partir de alginato derivado de algas y el nanomaterial óxido de grafeno. La técnica de impresión 3D utilizada para hacer el material permite la creación de estructuras intrincadas, incluida la anterior, que imita la red atómica del grafeno

Investigadores de la Universidad de Brown han demostrado una forma de utilizar el óxido de grafeno (GO) para agregar algo de espina dorsal a los materiales de hidrogel hechos de alginato, un material natural derivado de algas marinas que se usa actualmente en una variedad de aplicaciones biomédicas. En un artículo publicado en la revista Carbon , los investigadores describen un método de impresión 3-D para crear estructuras de alginato-GO intrincadas 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 con bajo contenido de sal», dijo Thomas Valentin, Ph.D. Estudiante de la Escuela de Ingeniería de Brown que dirigió el trabajo. «Lo que mostramos es que al incluir nano-hojas de óxido de grafeno, podemos hacer que estas estructuras sean mucho más robustas«.

La investigación muestra que el material también puede volverse más rígido o más suave en respuesta a diferentes tratamientos químicos, lo que significa que podría usarse para hacer materiales «inteligentes» que puedan reaccionar a su entorno en tiempo real. Además, el alginato-GO conserva la capacidad del alginato para repeler los aceites, lo que le da al nuevo material potencial como un resistente recubrimiento antiincrustante.

El método de impresión 3D utilizado para hacer los materiales se conoce como estereolitografía. La técnica utiliza un láser ultravioleta controlado por un sistema de diseño asistido por computadora para rastrear patrones a través de la superficie de una solución de polímero fotoactivo. La luz hace que los polímeros se unan entre sí, formando estructuras 3D sólidas 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 fabricó utilizando alginato de sodio mezclado con láminas de óxido de grafeno, un material a base de carbono que forma nano-hojas de un átomo de espesor que son más resistentes de libra por libra que el acero.

Una ventaja de la técnica es que los polímeros de alginato de sodio se unen a través de enlaces iónicos. Los enlaces son lo suficientemente fuertes para mantener el material unido, pero pueden romperse con ciertos tratamientos químicos. Eso le da al material la capacidad de responder dinámicamente a estímulos externos. Anteriormente, los investigadores de Brown demostraron que esta «reticulación iónica» se puede usar para crear materiales de alginato que se degradan a demanda, y se disuelven rápidamente cuando se tratan con una sustancia química 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 el doble de rígido que el alginato solo, y mucho más resistente al fracaso mediante el craqueo.

«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 las grietas que tienen que desviarse alrededor de las láminas de grafeno entremezcladas en lugar de ser capaces de romper el alginato correcto aunque homogéneo«.

La rigidez adicional les permitió a los investigadores imprimir estructuras que tenían partes sobresalientes, lo que hubiera sido imposible usando solo alginato. Además, el aumento de la rigidez no impidió que el alginato-GO también respondiera a estímulos externos, como puede hacerlo 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 suaves. Los materiales recuperaron su rigidez cuando los iones se restauraron al bañarse en sales iónicas. Los experimentos demostraron que la rigidez de los materiales podría ajustarse en un factor de 500 variando su entorno iónico externo.

Esa capacidad para cambiar su rigidez podría hacer que el alginato-GO sea útil en una variedad de aplicaciones, dicen los investigadores, incluidos los cultivos celulares dinámicos.

«Se podría imaginar un escenario en el que se puedan ver las células vivas en un entorno rígido y luego cambiar a un entorno más suave para ver cómo podrían responder las mismas células«, dijo Valentin. Eso podría ser útil para estudiar cómo migran las células cancerosas o las células inmunes a través de diferentes órganos en todo el cuerpo.

Y debido a que el alginato-GO retiene las poderosas propiedades repelentes del aceite del alginato puro, el nuevo material podría hacer un excelente recubrimiento para evitar que el aceite y otras partículas se acumulen en las superficies. En una serie de experimentos, los investigadores demostraron que un recubrimiento de alginato-GO podría evitar que el aceite ensucie la superficie del vidrio en condiciones altamente salinas. Eso podría hacer que los hidrogeles de alginato-GO sean útiles para recubrimientos y estructuras utilizadas en entornos marinos, según 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 buques«, dijo Wong. La rigidez adicional que proporciona 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 optimizar su producción y continuar optimizando sus propiedades.

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Más información: Thomas M. Valentin y otros, hidrogeles de óxido de alginato-grafeno con capacidad de ajuste iónica y estabilidad quimomecánica mejoradas para impresión 3D dirigida a la luz, Carbono (2018). DOI: 10.1016 / j.carbon.2018.11.006
Referencia del diario: Carbon

Proporcionado por: Brown University

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