Os materiais bioinspirados são projetados e desenvolvidos para imitar as funções biológicas da natureza; no entanto, a atuação rápida é uma tarefa importante, mas desafiadora, de recriar no laboratório. Em um estudo recente, Wenxin Fan e colegas de trabalho nos departamentos interdisciplinares de ciência dos materiais, Engenharia, química, bioquímica e ciência macromolecular nos EUA e na China, apresentou um novo paradigma para projetar placas de hidrogel responsivas que podem exibir deformação de encaixe inversa e ultra-rápida. Eles projetaram as folhas de hidrogel com arquitetura de gradiente duplo para acumular energia elástica nos polímeros, convertendo a energia pré-armazenada para um rápido encaixe reverso e liberação de energia.

Fan et al. controlou a magnitude e a localização da energia armazenada nas folhas de hidrogel para programar sua reação de encaixe e obter diferentes estruturas e comportamentos de atuação. Eles desenvolveram um modelo teórico a partir daí para demonstrar o papel crucial dos gradientes duplos e previram o movimento de encaixe de uma variedade de diferentes materiais de hidrogel. O novo princípio de design fornecerá orientação para projetar materiais de atuação para aplicações em engenharia de tecidos, robótica suave e como implantes médicos ativos. Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência .

A transformação da forma é onipresente em sistemas vivos, como plantas carnívoras que capturam presas estrategicamente, fornecendo uma fonte natural de inspiração para a engenharia de materiais de transformação de forma funcionais no laboratório. Os hidrogéis responsivos são capazes de transformar a forma sob uma variedade de estímulos, com aplicativos promissores já entregues em robótica leve, entrega de drogas, engenharia de tecidos e microfluídica.

Os cientistas usaram polímeros termo-responsivos, como poli (N, N-dimetilaminoetil metacrilato) (PDMAEMA) e poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) para projetar tais materiais de transformação de forma. A transformação da forma dos hidrogéis depende principalmente das diferentes taxas de expansão dos hidrogéis em diferentes regiões dos materiais, onde a evolução gradual da forma é conduzida por incompatibilidade no plano e fora do plano no volume variável dos hidrogéis. Os esforços atuais, portanto, se concentram em aumentar a complexidade da forma para diversificar a resposta dos materiais a estímulos externos.

Como um exemplo, folhas da armadilha voadora de Vênus podem se fechar rapidamente e capturar insetos em um décimo de segundo, que é distinto dos hidrogéis sintéticos que até agora mostraram apenas uma transformação de forma gradual e relativamente lenta. O movimento extremamente rápido da armadilha de Vênus é creditado ao acúmulo e liberação rápida de energia que pode ajudar o súbito, ainda, movimento descontínuo essencial para desenvolver atuadores ultrarrápidos com amplas aplicações em robótica suave por meio da biomimética. As abordagens existentes para alcançar este tipo de movimento dependem de comutação reversível entre estruturas côncavas e convexas de folhas poliméricas biestáveis ​​- mas esta estratégia permite apenas complexidade estrutural limitada e comportamento de atuação. Como resultado, uma necessidade existente permanece para projetar novos princípios de movimento instantâneo que serão entrelaçados em biomateriais responsivos.

No presente trabalho, Fan et al. relataram um projeto inspirado na natureza de folhas de hidrogel responsivas que acumulavam energia elástica e rapidamente liberavam a energia durante a deformação de encaixe ultrarrápido. Usando resultados experimentais e modelos teóricos, os cientistas mostraram que o movimento instantâneo dos hidrogéis se originou de seu projeto estrutural de gradiente duplo (gradiente de densidade da cadeia de polímero e gradiente de densidade de reticulação). Nos experimentos, eles usaram placas de hidrogel compostas de óxido de grafeno reduzido (rGO) / PDMAEMA com estruturas de gradiente duplo como sistema modelo e demonstraram que as folhas podem acumular energia elástica e converter a energia térmica ou química pré-armazenada para se encaixar rapidamente.

Mecanicamente, o novo hidrogel pode quebrar ao contrário em um segundo ( <1 s), para liberar a energia elástica armazenada em resposta a estímulos externos. Fan et al. foram capazes de ajustar a velocidade, ângulo e localização de encaixe na folha de hidrogel para controlar a posição e magnitude da energia pré-armazenada. Como resultado, os cientistas foram capazes de programar as folhas para atingir diferentes estruturas e comportamentos de atuação. Eles propõem estender os novos princípios de design de deformação por encaixe a outros materiais, incluindo hidrogéis e elastômeros puros em trabalhos futuros.

Fan et al. primeiro projetou o compósito rGO / PDMAEMA hidrogel composto sob a geração de radical livre induzida por ultravioleta (UV) de GO (óxido de grafeno) para iniciar a polimerização do DMAEMA (monômero) e N, N'-metileno-bis-acrilamida (MBA; agente de reticulação). Eles irradiaram uma mistura de GO, O DMAEMA e o MBA preencheram um espaço vedado com luz ultravioleta e mostraram como a intensidade da luz ao longo da lateral gerou uma concentração maior de radicais livres na superfície do GO para uma polimerização mais rápida. O processo de fabricação permitiu caracteristicamente maior densidade de cadeia e densidade de reticulação do hidrogel, que foi confirmado usando microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia confocal de varredura a laser (CLSM), Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) e espectros Raman.

Quando os cientistas submergiram o material de hidrogel padronizado da água a 20 ⁰ C em 60 ⁰ C mais alto do que sua temperatura de transição de fase de volume, a folha de hidrogel composta originalmente plana se curvou para cima. Sobre substituí-lo no 20 ⁰ Banho-maria C, o hidrogel tomou um caminho completamente diferente para reverter a transformação de sua forma, dando origem a um novo estado intermediário. Fan et al. observou o rápido, snap inverso (em menos de 1 segundo) associado a um ângulo de curvatura acentuadamente aumentado de 38 graus para 540 graus, para se desenrolar gradualmente e se tornar uma estrutura plana como antes, em aproximadamente 60 minutos. Os cientistas deduziram o encaixe inverso das folhas de hidrogel como um novo mecanismo de transformação de energia e dividiram o processo em três estágios.

(1) Converter parte da energia efetiva térmica / química pré-armazenada (E *) em energia elástica cumulativa durante o desenrolamento da folha ondulada.

(2) Liberação instantânea de energia elástica acumulada (E ') na forma de encaixe, e

(3) Liberação gradual da energia de repouso (E ") para enrolar ainda mais após quebrar.

A variação da temperatura na configuração experimental afetou a taxa de deformação da folha de hidrogel. Como resultado, Fan et al. foram capazes de programar quantitativamente a taxa de encaixe das folhas, ajustando a magnitude de sua energia pré-armazenada com temperaturas variáveis, para estimular o gel.

Como prova de princípio, eles demonstraram as capacidades de atuação autorregulada, onde o mecanismo de quebra de folha de hidrogel pré-estimulado acionou levantamento de peso em temperaturas de água variando de 20 ⁰ C a 60 ⁰ C. O peso máximo que pode ser levantado aumentou com a mudança de temperatura. Os cientistas forneceram um conceito para controlar o armazenamento e a liberação de energia em hidrogéis, permitindo o design de materiais inteligente com movimento programável instilado com habilidades para identificação de massa e regulação de potência.

Devido à natureza fraca de polieletrólito de PDMAEMA, Fan et al. também mostraram que o movimento de encaixe poderia ser regulado pela estimulação do pH do gel por meio da variação da força iônica (IS). Tal como acontece com a estimulação da temperatura, as folhas de hidrogel demonstraram comportamento mecanístico semelhante, sob uma ampla gama de condições IS. Os novos materiais foram construídos com versatilidade para superar as limitações existentes de estreitas condições de operação na engenharia de materiais.

Os cientistas também mostraram que os hidrogéis compostos respondem à luz infravermelha próxima (NIR) devido aos efeitos fototérmicos do rGO constituinte. Eles demonstraram o dobramento programável da folha de gel em um cubo por meio de exposição controlada à luz e armazenamento de energia dentro da folha como um exemplo, com grande potencial em biomedicina para procedimentos cirúrgicos minimamente invasivos e em robótica leve. Os cientistas então quantificaram o processo de encaixe para estabelecer um critério geral para encaixe inverso e creditaram a natureza característica à estrutura de gradiente duplo da folha de hidrogel. Os cientistas verificaram o critério geral de encaixe inverso comparando os comportamentos de deformação de folhas de hidrogel PNIPAM de duas camadas com gradientes duplos e aquelas com densidade de reticulação sozinha. Eles descobriram que as folhas PNIPAM de gradiente duplo exibiam movimentos de encaixe inversos, enquanto todos os hidrogéis de gradiente único mostraram apenas flexão simples convencional em resposta à estimulação térmica.

Desta maneira, os cientistas demonstraram um princípio geral para projetar hidrogéis usando a capacidade de transformação de energia para acionar a deformação instantânea programável. Eles controlaram a magnitude e o local de pré-armazenamento de energia nos hidrogéis para programar o encaixe inverso e obter diferentes atuações e estruturas. Fan et al. creditaram o encaixe induzido por transformação de energia à estrutura de gradiente duplo (contendo um gradiente de densidade de cadeia de polímero e gradiente de densidade de reticulação). No final das contas, eles propuseram um modelo teórico para interpretar e prever o encaixe dos hidrogéis, que concordou com as observações experimentais.

O hidrogel de gradiente duplo pode funcionar diretamente como autopropelido, atuador inteligente infundido com a capacidade de identificar pesos e controlar a potência sob estímulos constantes. A pesquisa fornecerá novos insights para atuar rapidamente diversos materiais ao lado de orientação prática no projeto e desenvolvimento de atuadores autônomos, robótica suave e implantes médicos ativos no futuro.

© 2019 Science X Network