Locomoción de hidrogel regulada por campos luminosos y eléctricos.

Característica del 22 de agosto de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Los científicos de materiales pretenden desarrollar materiales autónomos que funcionen más allá de la actuación en respuesta a estímulos. En un nuevo informe en Science Advances, Yang Yang y un equipo de investigación del Centro de Ciencias Energéticas Bioinspiradas de la Universidad Northwestern (EE. UU.) desarrollaron hidrogeles foto y electroactivados para capturar y entregar carga y evitar obstáculos a su regreso.

Para lograr esto, utilizaron dos monómeros de espiropirano (materiales fotoconmutables) en el hidrogel para inversión de carga fotorregulada y comportamientos autónomos bajo un campo eléctrico constante. Los materiales foto/electroactivos podrían realizar tareas de forma autónoma basadas en estímulos externos constantes para desarrollar materiales inteligentes a escala molecular.

Los materiales blandos con funcionalidad realista tienen aplicaciones prometedoras como materiales robóticos inteligentes en entornos dinámicos complejos con importancia en interfaces hombre-máquina y dispositivos biomédicos. Yang y sus colegas diseñaron un hidrogel fotoactivado y electroactivado para capturar y entregar carga, evitar obstáculos y regresar a su punto de partida, basándose en estímulos constantes de luz visible y electricidad aplicada. Estas condiciones constantes proporcionaron energía para guiar el hidrogel.

El equipo de investigación integró covalentemente restos de espiropirano con distintos sustituyentes en las construcciones para regular la carga neta de los materiales blandos. Utilizaron simulaciones de elementos finitos para guiar el diseño y el movimiento de los hidrogeles cargados y diseñaron perfiles de superficie 3D para maximizar el efecto dielectroforético. Yang y el equipo estudiaron más a fondo el alcance de la locomoción electroactiva y la fotoactuación en los hidrogeles de espiropirano.

Yang y sus colegas utilizaron dos moléculas de espiropirano diferentes con cargas netas diferentes. Sintetizaron cada una de las moléculas con un grupo metacrilato polimerizable basándose en informes existentes.

Incorporaron diferentes proporciones de moléculas de espiropirano en cadenas de polímero de N-isopropilacrilamida (PNIPAM) para formar hidrogeles. En este caso, ajustaron las funcionalidades de inversión de carga utilizando copolímeros de las unidades estructurales de espiropirano para mostrar potencial fotoconmutable y comportamientos de carga reversible con carga sintonizable. Los científicos ajustaron el tiempo de inversión de carga cambiando la proporción de los dos restos de espiropirano, sin cambiar las tasas de cambio y recuperación.

Basándose en el comportamiento de inversión de carga de los polímeros, el equipo de Yang fotorregula los hidrogeles electroactivos utilizando un reticulante para prepararlos.

Al principio, el equipo pudo cargar positivamente el hidrogel para moverlo hacia el cátodo bajo un campo eléctrico de corriente continua, donde la carga positiva se transfirió de los restos de espiropirano a la red de hidrogel. A partir de entonces, los grupos sulfonato unidos permanentemente en la cadena del polímero hicieron que la carga neta de la construcción fuera negativa, permitiendo que el hidrogel cargado negativamente regresara al ánodo.

El equipo estudió las velocidades de locomoción electroactiva fotorregulada de los discos de hidrogel a lo largo de múltiples ciclos de luz y oscuridad para examinar su velocidad de locomoción y determinó la relación entre la carga y la velocidad de los discos de hidrogel. Basaron esto en el equilibrio entre la fuerza electrostática y la fuerza de arrastre hidrodinámica, donde el mayor voltaje aplicado y el mayor diámetro de los discos de hidrogel produjeron una mayor velocidad de locomoción. Estos dispositivos poliméricos son muy adecuados para capturar y entregar carga mediante caza autónoma.

Yang y sus colegas exploraron el potencial de entrega de carga de las construcciones mediante la ingeniería de hidrogeles de espiropirano-PNIPAM simples en forma de disco y construcciones en forma de esfera incrustadas con nanopartículas como cargas. La fuerte fuerza dielectroforética permitió que los materiales realizaran funciones autónomas de caza y recogida.

Basándose en simulaciones, Yang y sus colegas formaron un objeto de hidrogel PNIPAM de espiropirano de tres brazos mediante polimerización de radicales libres fotoiniciada con una capacidad de captura superior de los brazos voladizos. Cuando estaba descargado, el gradiente del campo eléctrico alrededor del hidrogel desaparecía, lo que permitía la liberación autónoma de la carga durante la inversión de la carga. La liberación de la carga también se produjo apagando el campo eléctrico.

El equipo de investigación demostró cómo los materiales con una constante dieléctrica alta inducían una fuerza electroforética de atracción, y los materiales con una constante dieléctrica más baja ejercían una fuerza electroforética de repulsión sobre el objeto de hidrogel cargado adyacente.

Utilizando cálculos de elementos finitos, demostraron la posibilidad de constantes dieléctricas bajas para guiar el hidrogel cargado a través de obstáculos. Bajo estímulos constantes del campo eléctrico y la irradiación de luz, el hidrogel superó automáticamente las barreras y regresó después de la inversión de carga, sin intervención humana.

De esta manera, Yang y sus colegas diseñaron un hidrogel foto y electroactivo que puede capturar y entregar carga, así como evitar obstáculos bajo estímulos externos constantes. Los científicos utilizaron dos proporciones diferentes de restos de espiropirano en el hidrogel y facilitaron que la carga neta en la red químicamente aleatoria fuera sintonizable bajo irradiación con luz azul. Esto permitió un movimiento electroactivo fotorregulado con comportamiento autónomo bajo la dirección de la luz y la electricidad.

Los productos autónomos de materia blanda capturaron y entregaron carga elegantemente evitando obstáculos con aplicaciones adecuadas para escenarios para garantizar la seguridad de monitorear una situación desde lejos, por ejemplo, donde la intervención humana no es práctica. Estos nuevos biomateriales con funcionalidad autónoma se pueden diseñar ingeniosamente utilizando interacciones electrostáticas ambientalmente sensibles y fotoactuación en materiales blandos.

Más información: Yang Yang et al, Locomoción autónoma de hidrogel regulada por campos luminosos y eléctricos, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi4566

Anne Helene Gelebart et al, Haciendo olas en una película de polímero fotoactivo, Nature (2017). DOI: 10.1038/naturaleza22987

Información de la revista:Avances científicos, Naturaleza

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