Ver el interior de los geles inteligentes
Los científicos captan el comportamiento dinámico en situaciones de estrés
Los avances en la ciencia de los materiales han conducido al desarrollo de "materiales inteligentes", cuyas propiedades no permanecen estáticas sino que cambian en respuesta a estímulos externos. Uno de estos materiales es la poli( N -isopropilacrilamida), o PNIPAM, un gel polimérico que altera su solubilidad con la temperatura. El polímero contiene grupos amida hidrófilos y grupos isopropilo hidrófobos. A bajas temperaturas, los grupos amida forman fuertes enlaces de hidrógeno con el agua, manteniendo el material bien hinchado y soluble. Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, estos enlaces de hidrógeno se debilitan, mientras que las interacciones hidrofóbicas se refuerzan, haciendo que las cadenas poliméricas se colapsen en glóbulos compactos. Esta transición se produce a la temperatura crítica inferior de la solución (LCST), que es de aproximadamente 32 °C, cercana a la temperatura del cuerpo humano. Esto hace que la PNIPAM sea especialmente atractiva para aplicaciones biomédicas. Por ejemplo, puede transportar moléculas bioactivas mientras está hinchada y liberarlas en el cuerpo al desinflamarse. Además, dado que las fuerzas de cizallamiento de los fluidos corporales están presentes en el interior del cuerpo humano, es crucial investigar el comportamiento de la PNIPAM en condiciones específicas.
Esquema del dispositivo de reoimpedancia personalizado, que aplica simultáneamente una tensión de cizallamiento y mide las propiedades eléctricas cambiantes del gel. Este dispositivo puede revelar de forma dinámica y no invasiva cómo evolucionan la estructura interna y la conductividad del gel en condiciones reales, proporcionando datos cruciales para diseñar mejores materiales inteligentes.
Dr. Isao Shitanda from Tokyo University of Science Image source link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.5c04227
Aunque existen múltiples estudios sobre las transiciones de fase de estos geles inteligentes, la investigación sobre la estructura interna y la conductividad eléctrica siguen sin aclararse. Con este telón de fondo, se ha realizado un nuevo estudio.
"Ningún estudio ha observado cambios estructurales microscópicos dentro del gel en condiciones de tensión de cizallamiento, ni variaciones en la conductividad eléctrica dentro del gel derivadas de cambios estructurales macroscópicos durante las transiciones de fase. Se espera que nuestros hallazgos sean de gran utilidad para comprender los mecanismos funcionales de los geles poliméricos sensibles a la temperatura en condiciones de flujo", afirma el Dr. Shitanda.
Para investigar este comportamiento, los investigadores construyeron un dispositivo de reoimpedancia. Combina un reómetro y un potenciostato. El reómetro mide lo rígido o blando que se vuelve el gel bajo la fuerza y el potenciostato mide el movimiento de las cargas eléctricas a través del gel. También utilizaron la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) para observar directamente cómo se reorganizaba la estructura interna del gel durante el calentamiento.
En sus experimentos, el equipo calentó y enfrió repetidamente el gel entre 20 y 50 °C mientras aplicaba tensiones de cizallamiento controladas al material, simulando aplicaciones en tiempo real. Durante estos ciclos, midieron continuamente cómo cambiaba la impedancia eléctrica del gel en un amplio espectro de frecuencias.
Por debajo del LCST, el gel se comporta como una red hidratada y flexible en la que los iones se mueven con facilidad, lo que se traduce en una buena conductividad eléctrica. Una vez que la temperatura supera la LCST, se forman regiones hidrófobas en el interior del gel. Estas regiones actúan como pequeños parches aislantes que bloquean el movimiento de los iones, provocando la acumulación de carga y alterando tanto la resistencia como la capacitancia.
La tensión de cizallamiento produjo efectos adicionales. A bajas tensiones, entre el 1 y el 5%, la fuerza aplicada empujaba la solución electrolítica fuera de las regiones hidrofóbicas, abriendo más vías conductoras. A tensiones moderadas de entre el 5 y el 10%, el cizallamiento continuo expulsó aún más electrolito del interior del gel, reduciendo la conductividad. A tensiones elevadas, entre el 10% y el 20%, los dominios hidrófobos internos empezaron a romperse. Esto creó nuevos huecos y reorganizó la red de forma que aumentó de nuevo la conductividad.
Estos cambios estructurales se confirmaron mediante mediciones reo SAXS, que mostraron que el gel pasaba de ser una red uniforme a una estructura separada en fases con distintos dominios hidrófilos e hidrófobos bajo tensión.
La PNIPAM ya se utiliza en sistemas de administración de fármacos, andamiajes celulares y microactuadores debido a su comportamiento mecánico y eléctrico sensible a la temperatura. La PNIPAM es altamente biocompatible y puede cargarse con fármacos. Durante la administración, los microgeles se acumulan en el lugar de destino y, tras un ligero calentamiento, se produce una transición de fase que da lugar a la liberación del fármaco. Como la estructura interna del gel está relacionada con la resistencia mecánica, la PNIPAM podría utilizarse para diseñar robots blandos y sensores flexibles. Este novedoso método de reoimpedancia proporciona una forma no invasiva de sondear la red interna de dichos geles y ofrece una valiosa orientación para desarrollar la próxima generación de polímeros inteligentes. Los investigadores señalan que este método podría aplicarse al control de calidad de productos a base de gel, como cosméticos, alimentos y productos farmacéuticos, así como a electrolitos poliméricos.
"A diferencia de las mediciones estáticas convencionales, este enfoque permite la evaluación dinámica in situ de las transiciones funcionales dentro de los hidrogeles y establece una base metodológica para ampliar el análisis de la reoimpedancia. Se espera que se convierta en un nuevo método de evaluación para mejorar la durabilidad de los materiales", afirma el Dr. Shitanda.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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