La naturaleza ha desarrollado formas innovadoras para resolver un desafío pegajoso: los mejillones y los percebes se pegan obstinadamente a las paredes de los acantilados, los cascos de los barcos e incluso la piel de las ballenas. Del mismo modo, los tendones y los cartílagos se adhieren al hueso con una robustez increíble, dando a los animales flexibilidad y agilidad..
El adhesivo natural en todos estos casos es el hidrogel, una mezcla pegajosa de agua y material gomoso que crea una unión resistente y duradera.
Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado un método para fabricar hidrogel adhesivo sintético que contiene más del 90 por ciento de agua. El hidrogel, que es un material transparente similar al caucho, puede adherirse a superficies como vidrio, silicio, cerámica, aluminioy titanio con una tenacidad comparable a la unión entre el tendón y el cartílago en el hueso.
En experimentos para demostrar su robustez, los investigadores aplicaron un pequeño cuadrado de su hidrogel entre dos placas de vidrio, de las cuales luego suspendieron un peso de 55 libras. También pegaron el hidrogel a una oblea de silicio, que luego rompieron conun martillo. Mientras el silicio se hizo añicos, sus piezas permanecieron atrapadas en su lugar.
Tal durabilidad hace que el hidrogel sea un candidato ideal para recubrimientos protectores en superficies subacuáticas como botes y submarinos. Como el hidrogel es biocompatible, también puede ser adecuado para una gama de aplicaciones relacionadas con la salud, como recubrimientos biomédicos para catéteres y sensoresimplantado en el cuerpo.
"Puede imaginar nuevas aplicaciones con este material muy robusto, adhesivo y suave", dice Xuanhe Zhao, Profesor Asociado de Desarrollo Profesional Robert N. Noyce en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. Por ejemplo, el grupo de Zhao actualmente está explorando usos paraEl hidrogel en la robótica blanda, donde el material puede servir como tendón y cartílago sintéticos, o en articulaciones flexibles.
"Es un gel bastante resistente y adhesivo que es principalmente agua", dice Hyunwoo Yuk, un estudiante graduado en ingeniería mecánica y autor principal de un artículo sobre el trabajo. "Básicamente, es agua dura y pegajosa".
Zhao y sus estudiantes publican sus resultados hoy en la revista Materiales de la naturaleza .
un ancla elástica
Un hidrogel resistente y flexible que se une fuertemente requiere dos características, descubrió Zhao: disipación de energía y anclaje químico. Un hidrogel que disipa energía es esencialmente capaz de estirarse significativamente sin retener toda la energía utilizada para estirarlo. Un hidrogel anclado químicamente se adhiere auna superficie al unir covalentemente su red de polímeros a esa superficie.
"El anclaje químico más la disipación a granel conduce a una unión fuerte", dice Zhao. "Los tendones y el cartílago los aprovechan, así que realmente estamos aprendiendo este principio de la naturaleza".
Al desarrollar el hidrogel, Yuk mezcló una solución de agua con un ingrediente disipativo para crear un material elástico y elástico. Luego colocó el hidrogel sobre varias superficies, como aluminio, cerámica, vidrio y titanio, cada una modificada con silanos funcionales.- Moléculas que crean enlaces químicos entre cada superficie y su hidrogel.
Luego, los investigadores probaron el enlace del hidrogel usando una prueba de pelado estándar, en la que midieron la fuerza requerida para pelar el hidrogel de una superficie. En promedio, encontraron que el enlace del hidrogel era tan duro como 1,000 julios por metro cuadrado, aproximadamenteel mismo nivel que el tendón y el cartílago en el hueso.
el grupo Zhao comparó estos resultados con hidrogeles existentes, así como con elastómeros, adhesivos de tejidos y geles de nanopartículas, y descubrió que el nuevo adhesivo de hidrogel tiene un mayor contenido de agua y una capacidad de unión mucho más fuerte.
"Básicamente rompimos un récord mundial en la resistencia a la unión de hidrogeles, y fue inspirado por la naturaleza", dice Yuk.
robótica adhesiva
Además de probar la dureza del hidrogel con un martillo y un peso, Zhao y sus colegas exploraron su uso en juntas robóticas, utilizando pequeñas esferas de hidrogel para conectar tuberías cortas para simular extremidades robóticas.
"Los hidrogeles pueden actuar como actuadores", dice Zhao. "En lugar de usar bisagras convencionales, puede usar este material blando con una fuerte unión a materiales rígidos, y puede darle al robot muchos más grados de libertad".
Los investigadores también analizaron su aplicación como un conductor eléctrico. Yuk y otros estudiantes agregaron sales a una muestra de hidrogel, y unieron el hidrogel a dos placas de metal conectadas por medio de electrodos a una luz LED. Descubrieron que el hidrogel permitía el flujo deiones de sal dentro del circuito eléctrico, en última instancia, iluminando el LED.
"Creamos interfaces extremadamente robustas para conductores híbridos de hidrogel-metal", agrega Yuk.
El grupo de Zhao está actualmente más interesado en explorar el uso del hidrogel en la robótica suave, así como en la bioelectrónica.
"Dado que el hidrogel contiene más del 90 por ciento de agua, la unión puede considerarse como un adhesivo de agua, que es más resistente que los pegamentos naturales, como los percebes y los mejillones, y los pegamentos submarinos de inspiración biológica", dice Zhao. "El trabajotiene implicaciones significativas en la comprensión de la bioadhesión, así como en aplicaciones prácticas como recubrimientos de hidrogel, dispositivos biomédicos, ingeniería de tejidos, tratamiento de aguas y pegamentos submarinos ".
Esta investigación fue apoyada en parte por la Oficina de Investigación Naval y la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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