por
El vientre de una langosta está revestido con una fina membrana translúcida que es a la vez estirable y sorprendentemente fuerte. Esta armadura marina, como informaron los ingenieros del MIT en 2019, está hecha del hidrogel más fuerte conocido en la naturaleza, que también resulta ser muy flexible. Esta combinación de fuerza y estiramiento ayuda a proteger una langosta mientras sube por el lecho marino, mientras le permite flexionarse hacia adelante y hacia atrás para nadar.
Ahora, un equipo separado del MIT ha creado un material a base de hidrogel que imita la estructura de la panza de langosta. Los investigadores llevaron el material a través de una batería de pruebas de estiramiento e impacto, y demostraron que, al igual que la parte inferior de la langosta, el material sintético es notablemente "resistente a la fatiga", capaz de soportar estiramientos y tensiones repetidos sin romperse.
Si el proceso de fabricación pudiera expandirse significativamente, los materiales hechos de hidrogeles nanofibrosos podrían usarse para hacer tejidos de reemplazo resistentes y elásticos, como tendones y ligamentos artificiales.
Los resultados del equipo se publican hoy en la revista Materia. Los coautores del artículo en el MIT son los postdoctorados Jiahua Ni y Shaoting Lin; los estudiantes de posgrado Xinyue Liu y Yuchen Sun; el profesor de aeronáutica y astronáutica Raúl Radovitzky; el profesor de química Keith Nelson; profesor de ingeniería mecánica Xuanhe Zhao; y el ex investigador David Veysset PhD '16, ahora en la Universidad de Stanford; con Zhao Qin, profesor asistente de la Universidad de Syracuse, y Alex Hsieh del Laboratorio de Investigación del Ejército.
El giro de la naturaleza
En 2019, Lin y otros miembros del Grupo Zhao desarrollaron un nuevo tipo de material resistente a la fatiga hecho de hidrogel, una clase de materiales similares a la gelatina compuestos principalmente de agua y polímeros reticulados. Hicieron el material a partir de fibras de hidrogel ultradelgadas, que se alinearon como muchas hebras de paja recolectadas cuando el material se estiró repetidamente. También se ha descubierto que este entrenamiento aumenta la resistencia a la fatiga del hidrogel.
"En ese momento, sentimos que las nanofibras en los hidrogeles eran importantes y esperábamos manipular las estructuras de las fibrillas para optimizar la resistencia a la fatiga", dice Lin.
En su nuevo estudio, los investigadores combinaron una serie de técnicas para crear nanofibras de hidrogel más fuertes. El proceso comienza con el electrohilado, una técnica de producción de fibras que utiliza cargas eléctricas para extraer hilos ultrafinos de las soluciones poliméricas. El equipo utilizó rellenos de alto voltaje para hacer girar nanofibras a partir de una solución de polímero, para formar una película plana de nanofibras, cada una de las cuales mide alrededor de 800 nanómetros, una fracción del diámetro de un cabello humano.
Colocaron la película en una cámara de alta humedad para soldar las fibras individuales en una red robusta e interconectada, luego colocaron la película en una incubadora para cristalizar las nanofibras individuales a altas temperaturas, fortaleciendo así el material.
Probaron la resistencia de la película a la fatiga colocándola en una máquina que la estiró repetidamente durante decenas de miles de ciclos. También hicieron muescas en algunas películas y observaron cómo se extendían las grietas cuando las películas se estiraban repetidamente. A partir de estas pruebas, calcularon que las películas nanofibrosas eran 50 veces más resistentes a la fatiga que los hidrogeles nanofibrosos convencionales.
En ese momento, leyeron con interés un estudio de Ming Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, que caracterizaba las propiedades mecánicas de una panza de langosta. Esta membrana protectora está hecha de láminas delgadas de quitina, un material fibroso natural similar en composición a las nanofibras de hidrogel del grupo.
Guo descubrió que una sección transversal de la membrana de la langosta reveló láminas de quitina apiladas en ángulos de 36 grados, similar a la madera contrachapada retorcida o una escalera de caracol. Esta configuración de capas giratorias, conocida como estructura buligando, mejoró las propiedades de estiramiento y resistencia de la membrana.
“Aprendimos que esta estructura de buligando en el vientre de la langosta tiene un alto rendimiento mecánico, lo que nos motivó a ver si podíamos replicar tales estructuras en materiales sintéticos”, dice Lin.
Arquitectura angular
Ni, Lin y los miembros del grupo de Zhao se asociaron con el Laboratorio de Nelson y el grupo de Radovitzky en el Instituto de Nanotecnología de los Soldados del MIT y el Laboratorio de Qin en la Universidad de Syracuse, para ver si podían replicar la estructura de la membrana buligando de la langosta utilizando su material sintético y resistente a la fatiga Película [s. .
"Preparamos nanofibras alineadas por electrohilado para imitar las fibras quínicas presentes en el vientre de la langosta", explica Ni.
Después de electrohilar las películas de nanofibras, los investigadores apilaron cada una de las cinco películas en ángulos sucesivos de 36 grados para formar una única estructura de buligando, que luego soldaron y cristalizaron para fortalecer el material. El producto final tenía 9 centímetros cuadrados y un grosor de entre 30 y 40 micrones, aproximadamente el tamaño de un pequeño trozo de cinta adhesiva.
Las pruebas de estiramiento mostraron que el material inspirado en la langosta funciona de manera similar a su contraparte natural, capaz de estirarse repetidamente mientras resiste rasgaduras y grietas, una resistencia a la fatiga que Lin atribuye a la arquitectura inclinada de la estructura.
"Intuitivamente, una vez que una grieta en el material se propaga a través de una capa, se ve obstaculizada por capas adyacentes, donde las fibras se alinean en diferentes ángulos", dice Lin.
El equipo también sometió el material a pruebas de impacto microbalístico con un experimento diseñado por el grupo de Nelson. Obtuvieron imágenes del material mientras tiraban de él con micropartículas a alta velocidad y midieron la velocidad de las partículas antes y después de rasgar el material. La diferencia de velocidad les dio una medida directa de la resistencia al impacto del material, o cuánta energía puede absorber, que resultó ser una resistencia sorprendentemente alta de 40 kilojulios por kilogramo. Este número se mide en estado hidratado.
"Esto significa que una bola de acero de 5 milímetros disparada a 200 metros por segundo sería detenida por 13 milímetros de material", dice Veysset. "No es tan resistente como el Kevlar, que requeriría 1 milímetro, pero el material supera al Kevlar en muchas otras categorías".
No es de extrañar que el nuevo material no sea tan fuerte como los materiales antibalísticos comerciales. Sin embargo, es significativamente más robusto que la mayoría de los otros hidrogeles nanofibrosos como la gelatina y los polímeros sintéticos como el PVA. El material también es mucho más elástico que el Kevlar. Esta combinación de estiramiento y resistencia sugiere que, si bien se puede acelerar su fabricación y se apilan más películas en estructuras de buligandos, los hidrogeles nanofibrosos pueden servir como tejidos artificiales flexibles y fuertes.
"Para que un material de hidrogel sea un tejido artificial que soporta cargas, se necesita tanto resistencia como deformabilidad", dice Lin. "El diseño de nuestros materiales podría lograr ambas propiedades".
Esta investigación fue financiada, en parte, por el MIT y la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos a través del Instituto de Nanotecnología de Soldados del MIT.
