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El entrenamiento mecánico hace que los hidrogeles sintetizados se realizan más bién el músculo

Los músculos esqueléticos humanos tienen una combinación única de las propiedades que los investigadores de los materiales buscan para sus propias creaciones. Son fuertes, suaves, completos del agua, y resistentes a la fatiga. Un nuevo estudio de los investigadores del MIT ha encontrado una manera de dar a hidrogeles sintetizados este empaquetar total de características: pasarlas con un entrenamiento vigoroso.

Particularmente, los científicos entrenaron mecánicamente a los hidrogeles estirándolos en un baño de agua. E igual que con los músculos esqueléticos, los viajantes en el “gimnasio” pagaron lejos. El entrenamiento alineó nanofibers dentro de los hidrogeles para producir un fuerte, una suavidad, e hidrató el material que resiste avería o fatiga sobre millares de movimientos repetidores.

Los hidrogeles del alcohol de polivinilo (PVA) entrenados en el experimento son los biomateriales bien conocidos que los investigadores utilizan para los implantes médicos, drogan capas, y otros usos, dicen a Xuanhe Zhao, profesor adjunto de la ingeniería industrial en el MIT. “Solamente uno con estas cuatro propiedades importantes no se ha diseñado ni se ha fabricado hasta ahora.”

En su papel, publicado esta semana en los procedimientos de la National Academy of Sciences, Zhao y sus colegas describen cómo los hidrogeles también pueden ser 3-D-printed en una variedad de formas que se puedan entrenar para desarrollar la habitación músculo-como de propiedades.

En el futuro, los materiales se pudieron utilizar en implantes tales como “válvulas de corazón, repuestos del cartílago, y discos espinales, así como en usos de la ingeniería tales como robots suaves,” Zhao dice.

Otros autores del MIT en el papel incluyen el estudiante de tercer ciclo Shaoting Lin, el postdoc Ji Liu, y al estudiante de tercer ciclo Xunyue Liu en el laboratorio de Zhao.

Entrenamiento para la fuerza y más

Los tejidos naturales portadores excelentes tales como músculos y válvulas de corazón son un bioinspiration a los investigadores de los materiales, pero ha sido muy desafiador diseñar los materiales que capturan todas sus propiedades simultáneamente, Zhao dice.

Por ejemplo, uno puede diseñar un hidrogel con las fibras altamente alineadas para darle fuerza, pero puede no ser tan flexible como un músculo, o puede no tener el contenido en agua que hace compatible para el uso en seres humanos. “La mayor parte de los tejidos en el cuerpo humano contienen el cerca de 70 por ciento de agua, así que si queremos implantar un biomaterial en la carrocería, un contenido en agua más alto es más deseable para muchos usos en la carrocería,” Zhao explica.

El descubrimiento que el entrenamiento mecánico podría producir a músculo-como hidrogel era algo de un accidente, dice a Lin, el autor importante del estudio de PNAS. El equipo de investigación había estado realizando pruebas de cargamento mecánicas cíclicas en los hidrogeles, intentando encontrar el punto de la fatiga donde los hidrogeles comenzarían a analizar. En lugar de otro los sorprendieron encontrar que el entrenamiento cíclico fortalecía real los hidrogeles.

“El fenómeno de fortalecer en hidrogeles después del cargamento cíclico es antiintuitivo a la comprensión actual en fractura de cansancio en hidrogeles, pero las partes la semejanza con el mecanismo del músculo que fortalece después de entrenar,” dice a Lin.

Antes de entrenar, los nanofibers que componen el hidrogel se orientan aleatoriamente. “Durante el proceso del entrenamiento, qué realizamos es que alineábamos los nanofibers,” dice a Lin, agregando que la alineación es similar a qué suceso a un músculo humano bajo ejercicio relanzado. Este entrenamiento hizo los hidrogeles más fuertes y fatiga-resistentes. La combinación de las cuatro propiedades dominantes apareció después de cerca de 1.000 ciclos que estiraban, pero algunos de los hidrogeles fueron estirados sobre 30.000 ciclos sin la subdivisión. La resistencia a la tensión del hidrogel entrenado, en dirección de las fibras alineadas, aumentó en cerca de 4,3 veces sobre el hidrogel no estirado.

Al mismo tiempo, el hidrogel demostró adaptabilidad suave, y mantuvo un contenido del 84 por ciento, los investigadores del apogeo encontrados.

El factor antifatiga

Los científicos giraron a la microscopia confocal para hechar una ojeada a una mirada más atenta los hidrogeles entrenados, para ver si podrían descubrir las razones detrás de su propiedad antifatiga impresionante. “Pasamos éstos con millares de ciclos de carga, así que porqué no lo hace fall?” Lin dice. “Qué lo hicimos es hacen una perpendicular del corte a estos nanofibers e intentada para propagar una hendidura o un daño en este material.”

“Teñimos las fibras bajo el microscopio para ver cómo deformaron como resultado del corte, [y encontramos que] un fenómeno llamado fijación de la hendidura era responsable de resistencia de la fatiga,” Ji dice.

“En un hidrogel amorfo, donde las cadenas del polímero se alinean aleatoriamente, no toma demasiada energía para el daño a la extensión a través del gel,” Lin agrega. “Pero en las fibras alineadas del hidrogel, una perpendicular de la hendidura a las fibras “se fija” en el lugar y se previene del alargamiento porque lleva mucho más energía la fractura a través de las fibras alineadas uno por uno.”

De hecho, los hidrogeles entrenados rompen un umbral famoso de la fatiga, previsto por la teoría de Lago-Thomas, que propone la energía requerida para fracturar un de una sola capa de las cadenas amorfas del polímero tales como los que compongan hidrogeles de PVA. Los hidrogeles entrenados son 10 a 100 veces fatiga-más resistentes que predichos por la teoría, Zhao y sus colegas concluidos.