Pesquisadores da Brown University mostraram uma maneira de usar o óxido de grafeno (GO) para adicionar algum backbone aos materiais de hidrogel feitos de alginato, um material natural derivado de algas marinhas que atualmente é usado em uma variedade de aplicações biomédicas. Em artigo publicado na revista Carbono , os pesquisadores descrevem um método de impressão 3-D para fazer estruturas de alginato-GO intrincadas e duráveis ​​que são muito mais rígidas e mais resistentes a fraturas do que o alginato sozinho.

"Um fator limitante no uso de hidrogéis de alginato é que eles são muito frágeis - eles tendem a se desfazer sob carga mecânica ou em soluções com baixo teor de sal, "disse Thomas Valentin, um Ph.D. aluno da Escola de Engenharia de Brown que liderou o trabalho. "O que mostramos foi incluindo nanofolhas de óxido de grafeno, podemos tornar essas estruturas muito mais robustas. "

O material também é capaz de se tornar mais rígido ou mais macio em resposta a diferentes tratamentos químicos, o que significa que pode ser usado para fazer materiais "inteligentes" que são capazes de reagir ao ambiente em tempo real, a pesquisa mostra. Além disso, o alginato-GO retém a capacidade do alginato de repelir óleos, dando ao novo material potencial como um revestimento antivegetativo resistente.

O método de impressão 3-D usado para fazer os materiais é conhecido como estereolitografia. A técnica usa um laser ultravioleta controlado por um sistema de design auxiliado por computador para rastrear padrões na superfície de uma solução de polímero fotoativo. A luz faz com que os polímeros se liguem, formando estruturas 3-D sólidas a partir da solução. O processo de rastreamento é repetido até que um objeto inteiro seja construído camada por camada, de baixo para cima. Neste caso, a solução de polímero foi feita usando alginato de sódio misturado com folhas de óxido de grafeno, um material à base de carbono que forma nanofolhas de um átomo de espessura que são mais fortes libra por libra do que o aço.

Uma vantagem da técnica é que os polímeros de alginato de sódio se ligam por meio de ligações iônicas. Os laços são fortes o suficiente para manter o material unido, mas eles podem ser quebrados por certos tratamentos químicos. Isso dá ao material a capacidade de responder dinamicamente a estímulos externos. Anteriormente, os pesquisadores de Brown mostraram que esta "reticulação iônica" pode ser usada para criar materiais de alginato que se degradam sob demanda, dissolvendo-se rapidamente quando tratado com um produto químico que varre os íons da estrutura interna do material.

Para este novo estudo, os pesquisadores queriam ver como o óxido de grafeno pode alterar as propriedades mecânicas das estruturas de alginato. Eles mostraram que o alginato-GO pode ser feito duas vezes mais rígido que o alginato sozinho, e muito mais resistente a falhas por meio de rachaduras.

"A adição de óxido de grafeno estabiliza o hidrogel de alginato com ligação de hidrogênio, "disse Ian Y. Wong, professor assistente de engenharia na Brown e autor sênior do artigo. "Achamos que a resistência à fratura se deve ao fato de as rachaduras terem que se desviar das folhas de grafeno intercaladas, em vez de serem capazes de quebrar o alginato homogêneo."

A rigidez extra permitiu aos pesquisadores imprimir estruturas que tinham partes salientes, o que teria sido impossível usando apenas alginato. Além disso, o aumento da rigidez não impediu o alginato-GO também de responder a estímulos externos como o alginato sozinho pode. Os pesquisadores mostraram que, ao banhar os materiais em uma substância química que remove seus íons, os materiais incharam e tornaram-se muito mais macios. Os materiais recuperaram sua rigidez quando os íons foram restaurados por meio de banhos em sais iônicos. Experimentos mostraram que a rigidez dos materiais pode ser ajustada em um fator de 500, variando seu ambiente iônico externo.

Essa capacidade de alterar sua rigidez pode tornar o alginato-GO útil em uma variedade de aplicações, os pesquisadores dizem, incluindo culturas de células dinâmicas.

"Você pode imaginar um cenário em que pode criar imagens de células vivas em um ambiente rígido e, em seguida, mudar imediatamente para um ambiente mais suave para ver como as mesmas células podem responder, "Valentin disse. Isso poderia ser útil para estudar como as células cancerosas ou células do sistema imunológico migram através de diferentes órgãos por todo o corpo.

E como o alginato-GO retém as poderosas propriedades repelentes de óleo do alginato puro, o novo material pode ser um excelente revestimento para evitar que óleo e outras sujeiras se acumulem nas superfícies. Em uma série de experimentos, os pesquisadores mostraram que um revestimento de alginato-GO poderia impedir que o óleo sujasse a superfície do vidro em condições altamente salinas. Isso poderia tornar os hidrogéis de alginato-GO úteis para revestimentos e estruturas usadas em ambientes marinhos, dizem os pesquisadores.

"Esses materiais compostos podem ser usados ​​como um sensor no oceano que pode continuar fazendo leituras durante um derramamento de óleo, ou como um revestimento anti-incrustante que ajuda a manter os cascos dos navios limpos, "Wong disse. A rigidez extra proporcionada pelo grafeno tornaria esses materiais ou revestimentos muito mais duráveis ​​do que o alginato sozinho.

Os pesquisadores planejam continuar experimentando com o novo material, buscando formas de agilizar sua produção e continuar a otimizar suas propriedades.