Os hidrogéis inevitavelmente sofrem desidratação, colapso estrutural e deformação por contração devido à evaporação ininterrupta na atmosfera, perdendo assim sua flexibilidade, escorregadio e precisão de fabricação.



A pesquisa, publicada no International Journal of Extreme Manufacturing , mostra como fabricar um tipo de material macio e escorregadio com alta precisão, no qual as moléculas de água são propensas à evaporação, mas ainda assim bem implementado com materiais funcionais estruturados de alta fidelidade.

Mas a descoberta também pode ser extraordinariamente útil; se você quiser inventar algo revolucionário, o processo geralmente começa com a descoberta de um material inteiramente novo.

"Em princípio, isso abre o projeto e a construção de uma classe totalmente nova de matérias moles que, úmidas e lubrificantes, são fáceis de moldar e resistentes à desidratação em condições atmosféricas", disse Xiaolong Wang, professor do State Key Laboratory of Lubrificação Sólida no Instituto de Física Química de Lanzhou, Academia Chinesa de Ciências, e autor sênior do estudo.

“Essencialmente, sugere novas possibilidades para materiais biolubrificantes extremamente significativos e tecnologias de processamento de alta precisão”, disse Desheng Liu (assistente de pesquisa), o primeiro autor do artigo.

O hidrogel é um tipo de material macio com uma estrutura de rede tridimensional hidrofílica reticulada, que tem sido amplamente aplicado em engenharia de tecidos, curativos, dispositivos vestíveis flexíveis, pele eletrônica e robôs macios devido à sua flexibilidade, ajuste mecânico, biocompatibilidade , lubricidade e assim por diante.

De longe, as abordagens mais antigas, como sais higroscópicos e solventes mistos binários água-orgânicos, foram introduzidas nos hidrogéis a granel, restringindo a evaporação da água sob condições ambientais, aumentando a entalpia de vaporização da água. Apesar da melhor tolerância à desidratação, os hidrogéis construídos por estes meios são inevitavelmente suscetíveis de alterar propriedades como molhabilidade, lubricidade, mecânica e até mesmo hidratação.

Isto é vantajoso porque estes materiais são mais flexíveis e difíceis de processar do que os materiais duros tradicionais, mas o problema é que não são muito estáveis; eles podem perder a flexibilidade se expostos ao ar ou se a temperatura ficar muito alta.

Dada a estrutura biológica da pele humana para "retenção de água", aqui os pesquisadores relatam uma nova estratégia bioinspirada que introduz trealose na rede de hidrogel para formar interações de ligações de hidrogênio induzidas por trealose. A interação entre trealose e água pode gerar a camada superficial com tolerância à desidratação na atmosfera, o que resulta em hidrogéis flexíveis e escorregadios.

Então Liu começou a experimentar alguns materiais com fatores hidratantes naturais descobertos anos atrás, mas amplamente ignorados. Ele transformou a trealose em uma solução aquosa para fazer tintas fotossensíveis de hidrogel e materiais de hidrogel estruturados e então começou a testar suas propriedades de dessecação. Assim, a trealose também pode atuar como um agente eficaz de retenção de água para hidrogéis, introduzindo fortes interações de ligações de hidrogênio para reter propriedades inerentes à atmosfera.

Para surpresa dos cientistas, a introdução de trealose no hidrogel pode melhorar significativamente a sua resistência à desidratação, desempenho de lubrificação, propriedades mecânicas e precisão de fabricação. Além do mais, era muito estável.

"As fortes interações de ligações de hidrogênio do tipo covalente formadas por numerosos grupos hidroxila na molécula de trealose e numerosos grupos polares nas longas cadeias poliméricas podem conferir ductilidade superior e tolerância à dessecação do hidrogel escorregadio", disse Liu. Isso é extremamente útil para um dispositivo de material macio e escorregadio que precisa funcionar em ambientes do mundo real.

Mas para os cientistas, o mais surpreendente foi que o material macio contém água.

"A combinação da impressão 3D de fotopolimerização de cuba e hidrogéis modificados com trealose pode alcançar diversos hidrogéis estereoscópicos com resolução desejável, geometrias complicadas e microarquiteturas personalizadas no nível macroscópico devido à superação do encolhimento induzido pela dessecação e da deformação por colapso no processo de fabricação", disse Wang. "Como demonstração de prova de conceito, um fantasma vascular de hidrogel de alta precisão foi criado para imitar a intervenção com fio-guia."

O resultado é sem precedentes para um material de hidrogel escorregadio. “É quase como a pele humana – você pode efetivamente bloquear a umidade para evitar a evaporação excessiva e, assim, possuir uma tolerância favorável à desidratação”, disse Wang.

Os cientistas estão entusiasmados porque esta descoberta propõe um princípio de design fundamentalmente novo para a fabricação de alta precisão de materiais de hidrogel. Os fatores naturais de hidratação são tão importantes para os materiais de hidrogel que quase qualquer desenvolvimento de novos materiais macios abrirá novas fronteiras para técnicas de fabricação aditiva, explicaram.

Acredita-se que o método proposto abre caminho para a fabricação de hidrogéis estruturais em larga escala com tolerância à desidratação na atmosfera, ampliando suas aplicações em ambientes complexos.

A equipe também está explorando as diferentes estruturas e funções que os materiais de hidrogel podem produzir, aproveitando a impressão 3D de fotopolimerização VAT. "Achamos que propusemos uma estratégia conveniente e versátil que se adapta à fabricação de hidrogéis em grande escala com arquiteturas sofisticadas em um processo de longo prazo", disse Wang.

Mais informações: Desheng Liu et al, Hidrogel escorregadio com 'pele' tolerante à dessecação para fabricação aditiva de alta precisão, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ad1730
Fornecido por International Journal of Extreme Manufacturing