Un nuevo hidrogel

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Un gel se define como una red tridimensional de cadenas flexibles, constituida por unos elementos conectados de una determinada manera e hinchada por un líquido. Un organogel es aquel que contiene un disolvente orgánico y un hidrogel es un gel que contiene agua. Los hidrogeles son materiales blandos, elásticos, que en presencia de agua se hinchan, aumentando considerablemente su volumen, pero manteniendo su forma hasta alcanzar un equilibrio físico-químico. En cambio, en el estado deshidratado (xerogel) son cristalinos.

Estos polímeros abarcan un gran abánico de aplicaciones como por ejemplo las aplicaciones biomédicas. Por su estructura y propiedades,  los hidrogeles son biocompatibles por lo que son utilizados como adamios en la ingeniería de tejidos, portadores en la administración de fármacos y otras muchas aplicaciones que requieren propiedades mecánicas excepcionales como materiales de sustitución del cartígalo o músculos y nevios para robots blandos, deformables.

Es difícil conseguir una alta rigidez y tenacidad para mantener la forma, a la vez, una resistencia a la fractura. Pero recientemente un grupo de investigadores de la Universidad de Harvard han utilizado una sustancia derivada de unas algas para hacer un hidrogel que es duro y resistente a la vez.

Figura 1

Joost J. Vlassak, Zhigang Suo, y sus colegas crearon el hidrogel mezclando agua destilada y acrilamida, con dos tipos de alginato de sodio de origen natural, que provienen de las paredes celulares de las algas pardas. También se agregaron una combinación de sulfato de calcio y cloruro de calcio como reticulantes iónicos en la red de polímero.

Los dos alginatos tienen diferentes longitudes, uno nueve veces más largo que el otro. Los alginatos de cadena corta producen una mezcla de baja viscosidad, por lo que es más fácil de llevar altas concentraciones de polímero en el hidrogel y aumenta la rigidez del material. Los de cadena larga contribuyen a la resistencia de gel. Los dos, forman largas extensiones de enlaces cruzados entre los otros polímeros, que pueden cubrir grietas en la red. Además, estos enlaces iónicos pueden descomprimir para disipar la tensión.

En la figura 1 podéis ver la estructura y el mecanismo de endurecimiento de los hidrogeles híbridos: (A) de poliacrilamida (PAAm, líneas grises) forman enlaces covalentes covalentes a través de N, N’-metilenbis(acrilamida) (MBAA; cuadrados azules), dos moléculas de poliacrilamida enlazadas por sus grupos amino, no reactivos de cara a la polimerización. Es el agente de reticulación más frecuente para los geles de poliacrilamida. (B) las cadenas de alginato de cadena larga y corta (líneas continuas verdes y negras, respectivamente) con bloques G (ácido α-l-gulurónico) que forman enlaces cruzados iónicos a través de Ca2 + (círculos rojos). M, representa al “linker” ácido d-manurónico que se une con un enlace β 1,4. (C) Ampliación de la superficie de zona plástica (región de rosa) presente por delante de la muesca donde las reticulaciones iónicas descomprimen para disipar la energía.

Con las proporciones adecuadas de los componentes, el nuevo material puede tener un módulo elástico, una medida de la rigidez, de aproximadamente 1 megapascales, y una energía de fractura, una medida de la tenacidad, de alrededor de 4000 J/m2.

Vlassak dice que el material es tan rígido como el cartílago, pero es más duro que el tejido, que tiene una energía de fractura de 1000 J/m2.

Las propiedades del hidrogel pueden ser sintonizados más mediante el uso de diferentes longitudes de alginatos, dice Vlassak. La gama de longitudes de alginatos naturales está limitada, pero golpeándolos con radiación gamma puede producir diferentes longitudes de cadena.

Figur 2, Comparación entre los geles híbridos presentes en el trabajo publicado recientemente en la ACS Macro Lett con otros materiales blandos: geles híbridos con solo alginato de cadena larga, los hidrogeles de doble red, de PVA (Acetato de Polovinilo, cartílago, elastómeros naturales, la piel, el corcho, hidrogeles de PAAM (poliacrilamida) e de alginato.

Figura 2

Fuentes:

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