La fibra de hidrogel es un hidrogel que se transforma en un estado fibroso, en el que su ancho es significativamente menor que su largo. La superficie específica del hidrogel en forma fibrosa es mayor que la del hidrogel en masa, y sus propiedades mecánicas también cambian en consecuencia. Como resultado de estos cambios, la fibra de hidrogel tiene una tasa de intercambio de materia más rápida y se puede tejer en diferentes estructuras.
Como red hinchada por 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]
Sin embargo, la producción de fibra de hidrogel puede ser un desafío, ya que el hidrogel está reticulado y no se le puede dar forma fibrosa después de la polimerización. Para que el hidrogel adquiera un estado fibroso, la solución de pregel debe adquirir 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 la reticulación química, el cambio de fase y el cambio de propiedades reológicas.
Los cambios en las interacciones físicas se pueden aprovechar para el proceso de solidificación, y el estado fibroso se logra generalmente 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 con solidificación realizada por la evaporación del solvente. [3] El estado fibroso se crea por la combinación de repulsión electrostática y la tensión superficial de la solución. Pero generalmente 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 rango de nm a μm, lo cual es deseable para un intercambio rápido de materia. Sin embargo, la utilización de una sola fibra puede ser 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 (que proporciona solidificación) se mezcló con monómero AAM (que forma la red posterior) y reticulante N , N' -metilenbisacrilamida (MBA). Durante el proceso de electrohilado, el PAAM lineal proporcionó las propiedades físicas necesarias 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 de PAAM. Aunque no se formó reticulación entre la primera y la segunda red, el entrelazamiento físico evitará que el PAAM lineal se filtre.
A través de la química supramolecular, la solución de pregel puede solidificarse a través de interacciones supramoleculares reversibles, como las interacciones huésped-anfitrión. [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 la química huésped-anfitrión descrita por Scherman et al., donde la formación de un complejo de inclusión entre el uril de Cucurbit[8] y el 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. Al calentar la solución y enfriarla rápidamente en la boquilla de extrusión, se forma la fibra de hidrogel. Además, se realiza una reticulación posterior para formar una red permanente.
Algunos polímeros hidrófilos se pueden transformar en fibras de hidrogel mediante el método de hilado por fusión, donde la solidificación se realiza mediante la transición de fase desde el estado fundido. [5] De manera similar al hilado electrolítico, 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 hilado por fusión construido por Long et al., donde se logra el hilado por fusión de fibras de ácido poliláctico (PLA) y policaprolactona (PCL). [5]
De manera similar a la técnica de hilado por tracción, la técnica de escritura directa con tinta utilizó una solidificación física reversible para producir fibras de hidrogel. [6] La solución de pregel se licuó a través de un proceso de adelgazamiento por cizallamiento que se puede generar agregando partículas microscópicas como el microgel. Después de salir de la boquilla, el hidrogel se solidificará y conservará su forma, y la red se hará 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 de pseudoplástico deseadas y la red se formó cuando se cambió posteriormente el disolvente.
De manera similar a la solidificación física, se han desarrollado algunos métodos de reticulación química para producir fibras de hidrogel. 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 utilizados es la reticulación del alginato de sodio mediante CaCl2 , 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, el diámetro y la forma de la fibra resultante se pueden ajustar sin realizar modificaciones en los dispositivos. [1]
Una práctica sería la producción de solución de alginato reportada por Yang et al . [7] Ellos usaron el alginato de sodio como fluido central y CaCl2 como fluido de relleno, la red reticulada (fibra de hidrogel) formada 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 por radicales libres fotoiniciadas para la producción de fibras. [1] En este caso, el fluido de solidificación solo se utilizó para separar el fluido del núcleo de la pared del tubo. Además, para lograr una solidificación lo suficientemente rápida, generalmente se utilizó una solución de monómero más concentrada.
Un ejemplo sería la producción de fibra de acrilato de 4-hidroxibutilo reportada por Beebe et al. [8] El dispositivo de microfluido que utilizaron fue construido 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), 2,2'-dimetoxi-2-fenil-acetonefenona (fotoiniciador). El fluido envolvente era solo para separación. La red reticulada se formó por polimerización por radicales libres cuando la luz UV se encontró con el fluido central.
Aunque solo es posible producir fibras de hidrogel cortas, también es posible producir fibras de hidrogel polimerizando la red de hidrogel dentro de un molde tubular y empujando la fibra con fuerza. [9] Pero la fricción aumentará con el aumento de la longitud, y solo son factibles las fibras de hidrogel cortas.
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, poli(etilenglicol) diacrilato (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 autolubricado puede facilitar el desmoldeo 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 hay un segundo polímero inerte presente, 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 disolvente de agua debido a la presión ósmica, por lo que se forma una capa de lubricación. Por lo tanto, la fibra de polímero solidificada puede salir del tubo con una fuerza de fricción reducida y se puede lograr una producción continua.
Un ejemplo sería la producción de la 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 (agente de reticulación) y 2-hidroxi-4'-(2-hidroxietoxi)-2-metilpropiofenona (fotoiniciador). La solución de pregel se introdujo en un tubo de PTFE a una velocidad constante, y se utilizó luz ultravioleta para iniciar la reacción.
La morfología de la superficie y la forma de la sección transversal se pueden observar a través de imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) después de la eliminación del disolvente. [1] Además, el microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM) se puede utilizar 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 secó directamente, se obtendría una superficie lisa debido al colapso de la red de polímero 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 generalmente indica una superficie lisa con algunas arrugas formadas debido a la pérdida gradual de agua. [10]
Las propiedades mecánicas de las fibras se prueban, pero el proceso puede ser complicado debido a razones prácticas. [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 una 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 sobre la pérdida. [9] Y la resistencia a la tracción de la fibra de hidrogel suele ser menor a 1 MPa. [10]
Se prueban las propiedades ópticas para aplicaciones relacionadas con la detección óptica. [2] Esto puede incluir atenuación de luz, índice de refracción, transmisión, etc. [9] Estas propiedades ópticas están significativamente influenciadas por la composición del hidrogel.
Se realizan pruebas de toxicidad celular para aplicaciones tales como andamios de crecimiento celular. [12] Al cultivar la célula con la capacidad de producir proteína fluorescente, el crecimiento de la célula se puede monitorear con técnicas de imágenes fluorescentes.
Las fibras de hidrogel transparentes se pueden utilizar como fibra óptica y se pueden injertar grupos funcionales sensibles a estímulos para crear sensores ópticos. [2] Por ejemplo, en la investigación realizada por Yun et al., se injertó ácido fenilborónico sensible a la glucosa en la red de polímero. Cuando cambia la concentración de glucosa, la adsorción del ácido fenilborónico cambiará en consecuencia y se puede registrar con la intensidad de la luz a una determinada longitud de onda.
Aunque la fibra de hidrogel tiene una resistencia mecánica deficiente, se han realizado algunos intentos de construirla con métodos textiles. [1] Además, el método electrohilado, hilado por fusión y DIW puede producir estructuras de fibra de hidrogel en dimensiones más altas directamente. [6] [13] [5]
La fibra de hidrogel se puede utilizar para fabricar andamios para el crecimiento celular y la liberación de fármacos. [12] [1]
Las fibras de hidrogel sensibles a estímulos se pueden utilizar como actuadores y robots blandos. [10] [14] [15] [16] [17] Al trenzar las fibras de hidrogel, se puede aumentar la fuerza de cada fibra. Además, debido al deslizamiento entre las fibras de hidrogel, se puede reducir la mancha de flexión para mejorar aún más el rendimiento. [10]