El secreto del material está en la disposición ordenada de las nanoláminas y en los polímeros que se entrelazan entre ellas.
Investigadores de la Universidad Aalto y la Universidad de Bayreuth han sido los primeros en crear un hidrogel con una estructura única que replica dos propiedades de la piel humana: gran rigidez y capacidad de autocuración.
Todos nos encontramos con geles en la vida diaria: desde las sustancias suaves y pegajosas que usamos en el cabello hasta los componentes gelatinosos de diversos alimentos.
Si bien la piel humana comparte características gelatinosas, sus propiedades son muy difíciles de reproducir. Combina una gran rigidez con flexibilidad y tiene una notable capacidad de autocuración, pues a menudo se regenera por completo en 24 horas tras una lesión. Hasta ahora, los geles artificiales solo habían logrado replicar una de estas cualidades, pero no ambas.
El nuevo hidrogel supera estas limitaciones, lo que abre la puerta a aplicaciones como la administración de medicamentos, la curación de heridas, los sensores robóticos blandos y la piel artificial.
Curación mediante ‘entrelazamiento’
En este estudio innovador, los investigadores añadieron nanoláminas de arcilla excepcionalmente grandes y ultrafinas a los hidrogeles, que normalmente son suaves y blandos. El resultado es una estructura altamente ordenada con polímeros densamente entrelazados entre las nanoláminas, lo que no solo mejora las propiedades mecánicas del hidrogel, sino que también permite que el material se autocure. La investigación se publicó en la revista Nature Materials.
El secreto del material no solo radica en la disposición organizada de las nanoláminas, sino también en los polímeros que se entrelazan entre ellas y en un proceso tan simple como hornear. El investigador postdoctoral Chen Liang mezcló un polvo de monómeros con agua que contenía nanoláminas. Luego, la mezcla se expuso a una lámpara de luz ultravioleta (UV), similar a la que se usa para fijar el esmalte de uñas en gel.
“La radiación UV de la lámpara hace que las moléculas individuales se unan, convirtiéndolo en un sólido elástico, un gel”, explica Liang. “El entrelazamiento significa que las finas capas de polímero comienzan a retorcerse unas sobre otras como pequeños hilos de lana, pero en un orden aleatorio”, agrega Hang Zhang, de la Universidad Aalto. “Cuando los polímeros están completamente entrelazados, no se pueden distinguir entre sí. Son muy dinámicos y móviles a nivel molecular y, cuando los cortas, comienzan a entrelazarse de nuevo”.
Cuatro horas después de ser cortado con un cuchillo, el material ya se ha autocurado entre 80 y 90 por ciento. Después de 24 horas, suele estar completamente reparado. Además, un hidrogel de un milímetro de grosor contiene 10,000 capas de nanoláminas, lo que le otorga una rigidez similar a la de la piel humana y un grado comparable de elasticidad y flexibilidad.
Los hidrogeles rígidos, fuertes y autocurativos han sido un desafío durante mucho tiempo. Hemos descubierto un mecanismo para fortalecer los hidrogeles tradicionalmente blandos. Esto podría revolucionar el desarrollo de nuevos materiales con propiedades inspiradas en la biología”, dice Zhang.
Inspiración en la naturaleza
Este trabajo es un ejemplo emocionante de cómo los materiales biológicos nos inspiran a buscar nuevas combinaciones de propiedades en materiales sintéticos. Imaginemos robots con pieles robustas y autocurativas o tejidos sintéticos que se reparen de forma autónoma”, afirma Olli Ikkala, de la Universidad Aalto. Y aunque aún falta camino por recorrer antes de que estas aplicaciones sean una realidad, los resultados actuales representan un avance fundamental. Es el tipo de descubrimiento que podría renovar las reglas del diseño de materiales”, concluye Ikkala.
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