Movimiento de hidrogel regulado por luz y campos eléctricos

22 de agosto de 2023 característica

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Los científicos de materiales tienen como objetivo desarrollar materiales autónomos que funcionen más allá de la actuación sensible a estímulos. En un nuevo informe en Science Advances, Yang Yang y un equipo de investigación del Centro de Ciencia de Energía Bioinspirada de la Universidad Northwestern, EE. UU., desarrollaron hidrogeles foto y electro-activados para capturar y entregar carga y evitar obstáculos en el retorno.

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

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

El equipo de investigación incorporó covalentemente grupos moieties de espiropirano con sustituyentes variables en las estructuras para regular la carga neta de los materiales blandos. Utilizaron simulaciones de elementos finitos para guiar el diseño y movimiento de los hidrogeles cargados e ingeniar perfiles de superficie 3D para maximizar el efecto dielectroforético. Yang y el equipo estudiaron además el alcance de la locomoción electroactiva y la fotoactuación en los hidrogeles de espiropirano.

Geometric stability of the spiropyran hydrogel discs with different diameters under light irradiation. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi4566

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

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

Basándose en el comportamiento de reversión de carga de los polímeros, el equipo de Yang fotorreguló los hidrogeles electroactivos utilizando un entrecruzador para prepararlos.

Al principio, el equipo pudo cargar positivamente el hidrogel para moverse hacia el cátodo bajo un campo eléctrico de corriente directa, donde la carga positiva se transfirió de los grupos de espiropirano al entramado del hidrogel. Después, los grupos sulfonato permanentemente unidos a la cadena polimérica hicieron que la carga neta de la construcción fuera negativa, permitiendo que el hidrogel con carga negativa navegue de regreso al ánodo.

Autonomous obstacle avoidance of the low-k barriers and return function by the three-arm hydrogel object under constant electric field and light irradiation. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi4566

El equipo estudió las velocidades de locomoción electroactiva fotorregulada de los discos de hidrogel a través de múltiples ciclos de luz-oscuridad para examinar su velocidad de locomoción y determinaron la relación entre la carga y la velocidad de los discos de hidrogel. Esto se basó en el equilibrio entre la fuerza electrostática y la fuerza de arrastre hidrodinámico, donde un voltaje aplicado más alto y un diámetro más grande de los discos de hidrogel proporcionaron una velocidad de locomoción más alta. Estos dispositivos poliméricos son adecuados para capturar y entregar carga a través de la caza autónoma.

Yang y sus colegas exploraron el potencial de entrega de carga de los constructos mediante el diseño de hidrogeles de espiropirano-PNIPAM en forma de disco simple y construcciones en forma de esfera incrustadas con nanopartículas como carga. La fuerte fuerza dielectroforética permitió que los materiales realizaran funciones autónomas de caza y recolección.

Based on simulations, Yang and colleagues formed a 3-arm spiropyran PNIPAM hydrogel object using photoinitiated free radical polymerization with superior capture capability of the cantilever arms. When uncharged, the electric field gradient around the hydrogel vanished, enabling autonomous cargo release during charge reversal. The cargo release also occurred by turning off the electric field.

The research team showed how materials with a high dielectric constant induced an attractive electrophoretic force, and materials with a lower dielectric constant exerted a repulsive electrophoretic force on the adjacent charged hydrogel object.

Using finite element calculations, they showed the possibility of low dielectric constants to guide the charged hydrogel through obstacles. Under constant stimuli of the electric field and light irradiation, the hydrogel automatically bypassed barriers and traveled back after charge reversal, without human intervention.

In this way, Yang and colleagues designed a photo- and electroactive hydrogel that can cargo capture and deliver, as well as avoid obstacles under constant external stimuli. The scientists used two different ratios of spiropyran moieties in the hydrogel and facilitated the net charge in the chemically random network to be tunable under irradiation with blue light. This enabled photoregulated, electroactive motion with autonomous behavior under the direction of light and electricity.

The autonomous soft matter products elegantly captured and delivered cargo while avoiding obstacles with applications suited for scenarios to ensure the safety of monitoring a situation from afar—for instance, where human intervention is impractical. These new biomaterials with autonomous functionality can be resourcefully engineered using environmentally sensitive electrostatic interactions and photoactuation in soft materials.

Anne Helene Gelebart et al, Making waves in a photoactive polymer film, Nature (2017). DOI: 10.1038/nature22987

Journal information: Science Advances , Nature

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