Una tubería dañada con un agujero de 20 milímetros de ancho podría taparse instantánea con el hidrogel
Los hidrogeles son un material blando permeable compuesto por redes poliméricas y agua, con aplicaciones que abarcan desde la ingeniería biomédica hasta las lentes de contacto. Una característica intrínseca de los hidrogeles es la capacidad de conferir diversas características modificando sus redes poliméricas.
El laboratorio de investigación del profesor Gong en WPI-ICReDD, Universidad de Hokkaido, se especializa en tecnología de hidrogeles y ha diseñado hidrogeles con propiedades de autofortalecimiento, autorreparación, adhesión bajo el agua y más. Para los hidrogeles adhesivos, es un desafío predominante lograr una adhesión bajo el agua instantánea, fuerte y repetible.
Mediante una combinación de minería de datos y aprendizaje automático, el profesor Gong, el profesor Takigawa, el profesor Fan, el estudiante de posgrado Liao y sus colegas han desarrollado recientemente los hidrogeles adhesivos submarinos más fuertes hasta la fecha, con resistencias adhesivas (Fa) superiores a 1 MPa.
La resistencia de los geles fue instantánea y repetible, y son funcionales en diversas superficies con niveles variables de salinidad, desde agua pura hasta agua de mar.
Vídeo: Un patito de goma adherido a una roca costera usando hidrogel como pegamento resistió repetidas mareas y olas, demostrando su fuerza adhesiva. Crédito: WPI-ICReDD, Universidad de Hokkaido.
Como referencia, si estos hidrogeles se cortaran al tamaño de un sello postal (2,5 x 2,5 cm), teóricamente podrían soportar unos 63 kg (por ejemplo, un adulto). Los investigadores demostraron la fuerza adhesiva del hidrogel aplicándolo a un patito de goma sobre una roca costera, donde resistió repetidas mareas y el impacto de las olas.
Inspirándose en la biología, estos hidrogeles fueron diseñados con redes de polímeros derivadas de proteínas adhesivas que se encuentran en arqueas, bacterias, eucariotas y virus.
A pesar de la diversidad entre estos organismos, estas proteínas comparten patrones de secuencia comunes que les confieren adhesión en ambientes húmedos. Para ello, se extrajeron datos de aproximadamente 25.000 conjuntos de datos de proteínas adhesivas, recopilados de la base de datos de proteínas del Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI), para identificar secuencias de aminoácidos relevantes para la adhesión subacuática.
Replicaron estas secuencias en redes poliméricas y sintetizaron 180 hidrogeles, cada uno con redes poliméricas únicas. Los datos recopilados al estudiar estos hidrogeles se analizaron mediante aprendizaje automático, lo que permitió extrapolar las secuencias poliméricas más significativas.
Vídeo: Una fuga de agua de una tubería dañada con un agujero de 20 milímetros de ancho podría taparse instantánea y repetidamente con el hidrogel. Crédito: WPI-ICReDD, Universidad de Hokkaido.
Los 180 geles originales sintetizados mediante minería de datos demostraron cualidades adhesivas superiores a las descritas previamente en la literatura. Sin embargo, los geles inspirados en el aprendizaje automático fueron aún más extraordinarios, superando las cualidades tan deseadas mencionadas anteriormente.
La adhesión repetible e instantánea son cualidades muy solicitadas en aplicaciones que abarcan desde la ingeniería biomédica hasta la exploración submarina. Estas cualidades se confirmaron en un experimento en el que la fuga de agua de una tubería dañada pudo cubrirse instantánea y repetidamente.
Esta investigación se publicó en Nature: Data-driven de novo design of super-adhesive hydrogels
