Un equipo internacional de investigadores ha incorporado nanobarras de oro en hidrogeles que pueden procesarse mediante impresión 3D para crear estructuras que se contraen cuando se exponen a la luz y se expanden nuevamente cuando se retira la luz. Debido a que esta expansión y contracción se puede realizar repetidamente, las estructuras impresas en 3D pueden actuar como actuadores controlados de forma remota.
“Sabíamos que se podían imprimir hidrogeles en 3D que se contraerían al calentarse”, dijo Joe Tracy, coautor de un artículo sobre el trabajo y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. “Y sabíamos que se podían incorporar nanobarras de oro en hidrogeles que los harían fotosensibles, lo que significa que se contraerían de forma reversible cuando se expusieran a la luz.
“Queríamos encontrar una manera de incorporar nanobarras de oro en hidrogeles que nos permitieran imprimir en 3D estructuras fotorresponsivas”.
Los hidrogeles son redes poliméricas que contienen agua. Los ejemplos incluyen todo, desde lentes de contacto hasta el material absorbente utilizado en los pañales. Y, técnicamente, los investigadores no imprimieron un hidrogel con una impresora 3D. En cambio, imprimieron una solución que contenía nanobarras de oro y todos los componentes necesarios. la creación Un hidrogel.
“Y cuando esta solución impresa se expone a la luz, los polímeros de la solución forman una estructura molecular entrecruzada”, dijo Julian Thiele, coautor del artículo y catedrático de química orgánica en la Universidad Otto von Guerick de Magdeburgo. “Esto convierte la solución en un hidrogel, con nanobarras de oro atrapadas distribuidas por todo el material”.
Debido a que la solución de prehidrogel que sale de la impresora 3D tiene una viscosidad muy baja, no se puede imprimir la solución en un sustrato normal, o terminará con un charco en lugar de una estructura 3D.
Para resolver este problema, los investigadores imprimieron la solución en una suspensión transparente de micropartículas de gelatina en agua. La boquilla de la impresora puede penetrar la suspensión de gelatina e imprimir la solución en la forma deseada. Debido a que la gelatina es transparente, la luz puede penetrar la matriz, transformando la solución en un hidrogel sólido. Una vez hecho esto, se coloca todo en agua tibia, derritiendo la gelatina y dejando la estructura de hidrogel 3D.
Cuando estas estructuras de hidrogel se exponen a la luz, las nanobarras de oro incrustadas convierten esa luz en calor. Esto comprime los polímeros del hidrogel, expulsando el agua del hidrogel y encogiendo la estructura. Sin embargo, cuando se elimina la luz, los polímeros se enfrían y comienzan a absorber agua nuevamente, lo que expande la estructura del hidrogel a su tamaño original.
“Se ha trabajado mucho sobre hidrogeles que se contraen cuando se exponen al calor”, dijo Melanie Ghelardini, primera autora del artículo y ex doctora. Estudiante del estado de Carolina del Norte. “Ahora hemos demostrado que se puede hacer lo mismo cuando el hidrogel se expone a la luz, y al mismo tiempo tener la capacidad de imprimir este material en 3D. Esto significa que las aplicaciones que antes requerían la aplicación directa de calor ahora pueden activarse de forma remota mediante iluminación.”
“En lugar de utilizar moldes tradicionales, la impresión 3D de estructuras de hidrogel proporciona una libertad de diseño casi ilimitada”, afirma Thiel. “Y esto nos permite preprogramar movimientos individuales durante la contracción y expansión del material sensible a la luz”.
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias bajo la subvención 1803785; Escuela de formación en investigación de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) 1865: Microsistemas basados en hidrogeles y 2767, con el número de proyecto 451785257; Fundación Alejandro von Humboldt; Centro de Materiales Inteligentes de Dresde; y el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, bajo la subvención 852065.