La fibra de hidrogel es un hidrogel en estado fibroso, donde su ancho es significativamente menor que su longitud. El área de superficie específica del hidrogel en forma fibrosa es mayor que la del hidrogel en masa y sus propiedades mecánicas también cambiaron en consecuencia. Como resultado de estos cambios, la fibra de hidrogel tiene un tipo de intercambio de materia más rápido y puede tejerse en diferentes estructuras.
Como red hinchada por el agua con una toxicidad generalmente baja, la fibra de hidrogel se puede utilizar en una variedad de aplicaciones biomédicas, como portador de fármacos, [1] sensor óptico, [2] y actuador. [1]
Pero la producción de fibra de hidrogel puede ser un desafío ya que el hidrogel está reticulado y no se le puede dar forma a un estado fibroso después de la polimerización. Para convertir el hidrogel en un estado fibroso, la solución de pregel debe adoptar una forma fibrosa y luego reticularse manteniendo esta forma.
Para producir fibra de hidrogel, la solidificación de la solución de pregel es el paso más importante. La solución de pregel debe solidificarse manteniendo su forma fibrosa. Para lograrlo, se han desarrollado varios métodos basados en reticulación química, cambio de fase y cambio de propiedades reológicas.
Se pueden utilizar cambios en las interacciones físicas para el proceso de solidificación y el estado fibroso generalmente se logra fuera de la boquilla de extrusión. Debido a la reversibilidad de esas interacciones físicas, tradicionalmente se requiere una reticulación posterior. [3] [4] [5]
La fibra de hidrogel se puede producir mediante electrohilado y la solidificación se realiza mediante la evaporación del disolvente. [3] El estado fibroso se crea mediante la combinación de repulsión electrostática y la tensión superficial de la solución. Pero normalmente se necesita una reticulación posterior para formar una red reticulada. Una ventaja de la fibra de hidrogel electrohilada es que tiene un diámetro en el orden de nm a μm, lo cual es deseable para un intercambio rápido de materia. Sin embargo, la utilización de una sola fibra puede resultar difícil de lograr debido a la débil resistencia mecánica de la fibra microscópica y sus enredos después de la producción.
Un ejemplo de este método sería la producción de una red de semiinterpretación de poliacrilamida (PAAM) desarrollada por Tahchi et al. [3] Donde el primer PAAM lineal (proporciona solidificación) se mezcló con el monómero AAM (forma la red posterior) y el reticulante N , N' -metilenbisacrilamida (MBA). Durante el proceso de electrohilado, el PAAM lineal proporcionó las propiedades físicas requeridas para lograr el electrohilado, mientras que el monómero AAM y el reticulante MBA se utilizaron para formar una segunda red reticulada dentro de la fibra PAAM. Aunque no se formó ningún entrecruzamiento entre la primera y la segunda red, el entrelazamiento físico evitará la fuga de PAAM lineal.
A través de la química supramolecular, la solución de pregel puede solidificarse mediante interacciones supramoleculares reversibles, como las interacciones huésped-huésped. [4] Dicha interacción puede manipularse a través de la fuerza mecánica o la temperatura. Cuando la energía ejercida sobre la red es lo suficientemente alta, el punto de reticulación física se romperá y el polímero estará en estado líquido; después de salir de la boquilla, la reticulación se puede formar rápidamente para solidificar la solución.
Un caso sería el de Química anfitrión-invitado informado por Scherman et al. Donde la formación del complejo de inclusión entre Cucurbit[8]uril y bromuro de 1-bencil-3-vinilimidazolio (BVIm) formó un punto de reticulación física para la red. [4] La formación de este punto de reticulación física está controlada por la temperatura de la solución. Calentando la solución y enfriándola rápidamente en la boquilla de extrusión, se forma la fibra de hidrogel. Además, se realiza una reticulación posterior para formar una red de permeado.
Algunos polímeros hidrófilos se pueden convertir en fibras de hidrogel mediante el método de hilado en fusión, donde la solidificación se realiza mediante la transición de fase desde el estado fundido. [5] De manera similar al electrohilado, la solución de pregel se mantuvo líquida en el recipiente. Después de dejar la boquilla en estado de filamento, la fibra se solidificó después del encuentro con aire ambiente frío y mantuvo su forma.
Un ejemplo sería el aparato de hilatura por fusión construido por Long et al., donde se logra la hilatura por fusión de fibras de ácido poliláctico (PLA) y policaprolactona (PCL). [5]
De manera similar a la técnica de hilado por sorteo, la técnica de escritura directa con tinta utilizó solidificación física reversible para producir fibras de hidrogel. [6] La solución de pregel se licuó mediante un proceso de adelgazamiento por cizallamiento que se puede generar agregando partículas microscópicas como mircrogel. Después de salir de la boquilla, el hidrogel se solidificará y conservará su forma, y la red se volverá permanente después de la reticulación.
Un ejemplo sería la producción de la fibra desarrollada por Lewis et al. [6] Donde se utilizó fibroína de seda para generar las propiedades adelgazantes deseadas. Y la red se formó cuando posteriormente se cambió el disolvente.
De manera similar a la solidificación física, se han desarrollado algunos métodos de reticulación química para producir fibras de hidrogel. Y la clave para lograr la producción de hidrogel mediante el método de reticulación química es la separación efectiva entre la red formada y la pared del tubo. [1]
Se han desarrollado muchos métodos basados en dispositivos de microfluidos para producir fibras de hidrogel. [1]
Uno de los métodos de producción de fibra más comúnmente utilizados es la reticulación de alginato de sodio mediante CaCl 2 , donde el alginato de calcio formado actuará como punto de reticulación para unir las cadenas de alginato para formar la red y solidificar el polímero. Posteriormente, esta fibra de hidrogel de alginato se puede utilizar como plantilla para la polimerización de redes secundarias. Además, al controlar la dinámica de fluidos dentro del dispositivo de microfluidos, se puede ajustar el diámetro y la forma de la fibra resultante sin realizar modificaciones en los dispositivos. [1]
Una práctica sería la producción de solución de alginato reportada por Yang et al . [7] Utilizaron alginato de sodio como fluido central y CaCl 2 como fluido de salud, la red reticulada (fibra de hidrogel) se formó una vez que estos dos fluidos se encontraron, el flujo laminar mantuvo su forma tubular durante la reacción.
También se pueden utilizar otras reacciones de polimerización de radicales libres fotoiniciadas para la producción de fibras. [1] En este caso, el fluido saludable solo se usó para separar el fluido central de la pared del tubo. Además, para conseguir una solidificación lo suficientemente rápida, normalmente se utilizaba una solución de monómero más concentrada.
Un ejemplo sería la producción de fibra de acrilato de 4-hidroxibutilo informada por Beebe et al. [8] El dispositivo de microfluidos que utilizaron se construyó con un capilar de acetato de etilvinilo y caucho PDMS. El fluido central era una mezcla de acrilato de 4-hidroxibutilo, ácido acrílico , dimetacrilato de etilenglicol (reticulante) y 2,2'-dimetoxi-2-fenilacetonfenona (fotoiniciador). El líquido de la funda era sólo para la separación. La red reticulada se formó mediante polimerización de radicales libres cuando la luz ultravioleta se encontró con el fluido central.
Aunque sólo se pueden producir fibras de hidrogel cortas, también se puede lograr la producción de fibras de hidrogel polimerizando la red de hidrogel dentro de un molde tubular y empujando la fibra hacia afuera con fuerza. [9] Pero la fricción aumentará con el aumento de la longitud, y sólo son viables fibras cortas de hidrogel.
Un caso sería la producción de fibra de poli(acrilamida- co -poli(etilenglicol)diacrilato) reportada por yun et al. [9] La solución de pregel era una mezcla de AAM, diacrilato de poli(etilenglicol) (PEGDA, reticulante) y 2-hidroxi-2-metilpropiofenona (fotoiniciador). La mezcla se inyectó en un molde tubular y luego se extrajo mediante fuerza hidrostática.
Un fenómeno interesante llamado hilado autolubricante puede facilitar el desmolde de la fibra y permite la producción continua de fibra de hidrogel a partir de un molde tubular. [10] Durante el proceso de polimerización, si está presente un segundo polímero inerte, será particularmente expulsado de la red formada y podrá moverse con relativa facilidad. El polímero lineal en la superficie de la red reticulada también contiene agua y disolvente debido a la presión ósmica, por lo que se forma una capa lubricante. Por lo tanto, la fibra polimérica solidificada puede salir del tubo con una fuerza de fricción reducida y se puede lograr una producción continua.
Un ejemplo sería la producción de fibra de hidrogel de red de semiinterpenetración PAAM/PAMPS informada por Zhao et al . [10] La solución de pregel era la mezcla de PAMPS, AAM, PEGDA (entrecruzante) y 2-hidroxi-4'-(2-hidroxietoxi)-2-metilpropiofenona (fotoiniciador). La solución de pregel se introdujo en un tubo de PTFE a velocidad constante, utilizándose luz ultravioleta para iniciar la reacción.
La morfología de la superficie y la forma de la sección transversal se pueden observar mediante imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) después de la eliminación del disolvente. [1] Además, se puede utilizar un microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM) para observar fibras de hidrogel húmedas. [10] Pero diferentes tratamientos afectarán drásticamente la morfología de la superficie de la fibra de hidrogel. Si la fibra de hidrogel se secara directamente, se obtendría una superficie lisa debido al colapso de la red polimérica después de la eliminación del disolvente. [1] Si la fibra de hidrogel se liofilizó, generalmente se encontrará una superficie porosa debido al efecto de formación de poros del cristal de hielo. ESEM puede observar directamente la morfología de la superficie. La imagen resultante suele indicar una superficie lisa con algunas arrugas formadas debido a la pérdida gradual de agua. [10]
Se prueban las propiedades mecánicas de las fibras, pero el proceso puede resultar complicado por motivos prácticos. [11] Las propiedades mecánicas se prueban con una máquina de prueba universal fijando las fibras de hidrogel entre dos soportes. Sin embargo, debido a la compresión del soporte, la fibra de hidrogel puede tener tendencia a romperse en el punto de sujeción. [11] Además, la pérdida de agua durante la prueba afectará los datos resultantes y se deben tomar precauciones para meditar la pérdida. [9] Y la resistencia a la tracción de la fibra de hidrogel suele ser inferior a 1 MPa. [10]
Las propiedades ópticas se prueban para aplicaciones relacionadas con la detección óptica. [2] Esto puede incluir atenuación de la luz, índice de refracción, transmisión, etc. [9] Estas propiedades ópticas están significativamente influenciadas por la composición del hidrogel.
Las pruebas de toxicidad celular se realizan para aplicaciones como andamios de crecimiento celular. [12] Al hacer crecer la célula con la capacidad de producir proteína fluorescente, el crecimiento de la célula se puede monitorear con técnicas de imágenes fluorescentes.
Se pueden utilizar fibras de hidrogel transparentes como fibra óptica y se pueden injertar grupos funcionales que responden a estímulos para crear sensores ópticos. [2] Por ejemplo, en la investigación realizada por Yun et al. el ácido fenilborónico sensible a la glucosa se injertó en la red polimérica. Cuando cambia la concentración de glucosa, la adsorción del ácido fenilborónico cambiará en consecuencia y se podrá registrar con la intensidad de la luz a una determinada longitud de onda.
Aunque presenta una resistencia mecánica deficiente, se ha intentado construir fibra de hidrogel con métodos textiles. [1] Además, el método DIW electrohilado, hilado en fusión puede producir estructuras de fibra de hidrogel en dimensiones más altas directamente. [6] [13] [5]
La fibra de hidrogel se puede utilizar para fabricar estructuras para el crecimiento celular y la liberación de fármacos. [12] [1]
Las fibras de hidrogel que responden a estímulos se pueden utilizar como actuadores y robots blandos. [10] [14] [15] [16] [17] Al trenzar la fibra de hidrogel, se puede magnificar la fuerza de una sola fibra. Además, debido al deslizamiento entre las fibras de hidrogel, se puede reducir la mancha de la flexión para mejorar aún más el rendimiento. [10]