Pegajoso: el polímero de hidrogel adhesivo subacuático de mayor rendimiento
Inspirada en la biología, la tecnología se ha desarrollado utilizando la minería de datos y el aprendizaje automático
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Los hidrogeles son un material blando permeable formado por redes poliméricas y agua con aplicaciones que van desde la ingeniería biomédica a las lentes de contacto. Intrínseca a los hidrogeles es la capacidad de dotarlos de diversas características modificando sus redes poliméricas. El laboratorio de investigación del profesor Gong en el WPI-ICReDD de la Universidad de Hokkaido está especializado en tecnología de hidrogeles y ha diseñado hidrogeles con propiedades de autofortalecimiento, autorreparación y adhesión bajo el agua, entre otras. En el caso de los hidrogeles adhesivos, lograr una adherencia instantánea, fuerte y repetible bajo el agua es un reto imperante.
Fotografía de un pato de goma adherido a una roca costera mediante una novedosa tecnología de hidrogel que resiste repetidas mareas oceánicas y el impacto de las olas.
WPI-ICReDD, Hokkaido University
Mediante una combinación de minería de datos y aprendizaje automático, el profesor Gong, el profesor Takigawa, el profesor Fan, el estudiante de posgrado Liao y sus colegas han desarrollado recientemente los hidrogeles adhesivos subacuáticos más resistentes hasta la fecha, con una fuerza adhesiva (Fa) superior a 1 MPa. La fuerza de los geles fue instantánea y repetible, y son funcionales en diversas superficies bajo niveles variables de salinidad, desde agua pura hasta agua de mar. Esta investigación se publicó en Nature y fue seleccionada para la portada.
Como referencia, si estos hidrogeles se cortaran del tamaño de un sello de correos (2,5 x 2,5 cm), podrían soportar teóricamente ~63 kg (por ejemplo, un ser humano adulto). Los investigadores demostraron la fuerza adhesiva del hidrogel aplicándolo a un pato de goma en una roca junto al mar, donde resistió repetidas mareas oceánicas y el impacto de las olas.
Inspirándose en la biología, estos hidrogeles se diseñaron con redes de polímeros derivadas de proteínas adhesivas presentes en arqueas, bacterias, eucariotas y virus. A pesar de la diversidad entre estos organismos, estas proteínas comparten patrones de secuencia comunes que dotan a la adhesión en entornos húmedos. Para ello, se extrajeron ~25.000 conjuntos de datos de proteínas adhesivas de la base de datos de proteínas del Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) en busca de secuencias de aminoácidos importantes para la adhesión bajo el agua.
Replicaron estas secuencias en redes poliméricas y sintetizaron 180 hidrogeles, cada uno con redes poliméricas únicas. Los datos recopilados a partir del estudio de estos hidrogeles se analizaron con aprendizaje automático, que extrapoló las secuencias poliméricas más significativas. Los 180 geles originales sintetizados a partir de la minería de datos demostraron cualidades adhesivas superiores a las de los geles publicados anteriormente en la literatura. Sin embargo, los geles inspirados en el aprendizaje automático fueron más increíbles, superando las cualidades altamente deseadas mencionadas anteriormente.
La adhesión repetible e instantánea son cualidades muy deseadas para aplicaciones que van desde la ingeniería biomédica hasta la exploración de las profundidades marinas. Estas cualidades se confirman en un experimento en el que la fuga de agua de una tubería dañada pudo cubrirse instantánea y repetidamente.
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