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Nanocompuestos que pasan de rígidos a blandos

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Nanocompuestos que pasan de rígidos a blandos
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Nanocompuestos que pasan de rígidos a blandos 

Recientemente, la atención se ha centrado en el desarrollo de materiales inteligentes, es decir, materiales que pueden cambiar sus propiedades mecánicas como la rigidez, la memoria de la forma, la actuación y la autocuración, en respuesta a varios tipos de estímulos como la temperatura o ciertos productos químicos. Estos materiales sensibles se pueden utilizar para una amplia gama de aplicaciones.

Nanocompuestos Bioinspirados

El efecto de reducir la rigidez de un material añadiendo un componente es bioinspirado. Por ejemplo, los compuestos de hemicelulosa pueden mostrar una reducción del módulo de Young de hasta tres órdenes de magnitud cuando están rodeados de vapor de agua. Otra manera de crear el mismo efecto es entrecruzar moléculas grandes y así crear una red que se comporta de manera muy diferente de las moléculas por sí mismas. En la naturaleza, estos materiales adaptativos se crean a partir de un pequeño conjunto de moléculas dispuestas de diferentes maneras y estratificadas en diferentes jerarquías para lograr diferentes tipos de interacciones entre ellas, determinando así las propiedades finales del material acumulado.

La inspiración original para esto es el pepino de mar, cuya dermis cambia sus propiedades mecánicas en respuesta a los cambios en las propiedades químicas del agua. Se han reportado nanocompuestos de celulosa (CNC) que se ablandan cuando se exponen a un ambiente acuoso a temperatura corporal. Estos se unen a los elastómeros sintéticos para crear nanocompuestos de polímeros. Los CNC son cristales monocelulósicos de celulosa, rígidos y en forma de varilla, que son naturalmente rígidos, fuertes y ligeros. Al ser biocompatibles y sostenibles, también se degradan fácilmente y, por lo tanto, se han utilizado en una gran variedad de aplicaciones como recubrimientos, cosméticos, sistemas de administración de fármacos e implantes médicos. El endurecimiento se produce cuando los compuestos que contienen CNC están expuestos al agua debido a la transformación de la estructura polimérica en una red de percolación. Este proceso puede invertirse modificando la temperatura del agua de 25 °C a 37 °C.

Nanocompuestos t-CNC/EO-EPI

El primer trabajo basado en la dermis del pepino de mar fue la combinación de CNCs derivados de tunicados (t-CNCs de la túnica del pepino de mar) con una matriz formada por poli(óxido de etileno-co-epiclorhidrina) (EO-EPI). Los CNCs se utilizan cada vez más en nanocompuestos diseñados para adaptaciones inteligentes debido a la abundante unión de hidrógeno entre el hidrógeno y el carbono, que puede evitarse o promoverse utilizando otro producto químico. En este caso, el copolímero EO-EPI tuvo una captación moderada de agua y un bajo módulo, al tiempo que permaneció generalmente sin reaccionar con los CNC. La formación de una red de percolación significa que por encima de un cierto límite la transferencia de tensión depende de los enlaces de hidrógeno. La exposición al agua promueve entonces la unión del hidrógeno dentro de los CNCs y reduce los grupos hidroxilos superficiales disponibles para la unión entre los CNCs, haciendo que el compuesto sea más suave (módulo en estado húmedo de 5 MPa). Sin embargo, este polímero se hincha con agua hasta un 70% de su volumen.

PVAc/CNCs Nanocompuestos

Otra innovación es el compuesto de copolímero de acetato de polivinilo (PVAc) con CNC que puede cambiar entre los estados húmedo y seco, con un cambio en las propiedades mecánicas, debido a una plastificación inducida de la matriz que se compone de PVAc y la disolución del agua del CNC que resulta en el apagado de las interacciones CNC-CNC y CNC-matriz. Los experimentos demostraron que al cambiar la temperatura se cambiaba el estado del polímero vidrioso a un estado gomoso, sin interrumpir la red CNC. La exposición al agua, sin embargo, desconectó las interacciones entre las moléculas del CNC. Estos polímeros pueden utilizarse como material de refuerzo para injertos biológicos, como en los implantes craneofaciales o en la regeneración ósea guiada, donde el material a injertar debe ser inicialmente rígido, pero debe ablandarse poco después de la inserción para evitar la inflamación. Esto fue sólo del 28% con el uso de CNCs derivados del algodón debido a la diferencia en los grupos de azufre de la superficie, es decir, la absorción de agua se redujo significativamente, mientras que el módulo en estado húmedo se redujo de manera bastante comparable al de PVAc/t-CNC a 12 MPa. Con sólo 0,1% de CNCs en una mezcla de PVAc/CNC y PLA in situ, se mejoró notablemente el módulo de elasticidad, el límite elástico y el alargamiento de rotura.

Nanocompuestos PBMA/PVAc/CNCs

Otros investigadores descubrieron que el módulo en estado húmedo podía ajustarse simplemente cambiando la proporción de PBMA a PVAc debido a la naturaleza hidrofóbica de la matriz, que permitía sólo un 15% de absorción de agua.

Nanocompuestos CNC a base de caucho

Otro material es el nanocompuesto CNC a base de caucho que se adapta al agua alterando su comportamiento mecánico. El caucho natural se combinó con caucho natural epoxidado para aumentar la sensibilidad del agua y la conmutación mecánica reversible en una medida mucho mayor de lo que era posible con el caucho natural solo. La formación de enlaces de hidrógeno dispersa la masilla más uniformemente y permite tanto una red de masillas CNC-CNC como un polímero CNC.

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