Un equipo internacional de investigadores ha incorporado nanobarras de oro en hidrogeles que pueden procesarse mediante impresión 3D para crear estructuras que se encogen cuando se exponen a la luz, y cuando la luz se elimina, se propaga nuevamente. Debido a que esta expansión y contracción se puede realizar repetidamente, las estructuras impresas en 3D pueden actuar como actuadores de control remoto.
“Sabíamos que se podían imprimir hidrogeles en 3D que se encogerían al calentarse”, dice 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 encogerían 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 materiales absorbentes utilizados en pañales. Y, técnicamente, los investigadores no imprimieron el hidrogel con una impresora 3D. En cambio, imprimieron una solución que contenía nanobarras de oro y todos los componentes necesarios. crear Un hidrogel.
“Y cuando esta solución impresa se expone a la luz, los polímeros de la solución forman una estructura molecular reticulada”, afirma Julian Thiele, coautor del artículo y catedrático de química orgánica en la Universidad Otto von Gerek 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 puedes imprimir la solución en un sustrato normal, o tendrás un charco en lugar de una estructura 3D.
Para resolver este problema, los investigadores imprimieron la solución en una suspensión translúcida 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 translúcida, la luz puede penetrar la matriz y convertir la solución en un hidrogel sólido. Una vez hecho esto, todo se coloca en agua caliente, que derrite la gelatina y deja una estructura de hidrogel 3D.
Cuando estas estructuras de hidrogel se exponen a la luz, las nanobarras de oro incrustadas convierten la luz en calor. Esto hace que los polímeros del hidrogel se encojan, empujando el agua fuera del hidrogel y encogiendo la estructura. Sin embargo, cuando se elimina la luz, los polímeros se enfrían y comienzan a reabsorber agua, lo que expande la estructura del hidrogel a sus dimensiones originales.
“Se ha trabajado mucho sobre hidrogeles que se encogen cuando se exponen al calor”, dijo Melanie Gilardini, primera autora del artículo y ex doctora. Estudiante en NC State. “Ahora hemos demostrado que se puede hacer lo mismo cuando se expone un hidrogel a la luz, y al mismo tiempo tener la capacidad de imprimir el material en 3D. Esto significa que aplicaciones que antes eran calor directo ahora se pueden activar de forma remota. por la luz.”
“En lugar de utilizar moldes tradicionales, la impresión 3D de estructuras de hidrogel proporciona una libertad de diseño casi ilimitada”, afirma Thiele. “Y esto permite movimientos distintos preprogramados durante la contracción y expansión de nuestro material fotorresponsable estimulada por la luz”.
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias, bajo la subvención 1803785. Escuelas de formación en investigación de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) 1865: Microsistemas basados en hidrogel 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.
