Os investigadores desenvolvem um novo hidrogel que pode cicatrizar como a pele

Até à data, os géis artificiais conseguiam reproduzir a elevada rigidez ou a capacidade de auto-cura da pele natural, mas não ambas ao mesmo tempo. Agora, pela primeira vez, uma equipa de investigadores da Universidade de Aalto e da Universidade de Bayreuth conseguiu desenvolver um hidrogel com uma estrutura única que ultrapassa estas limitações anteriores. Isto abre novas possibilidades para aplicações como a libertação orientada de medicamentos, a cicatrização de feridas, sensores em robótica macia e pele artificial.

No seu estudo inovador, os investigadores inseriram nanofolhas de argila especial ultra-finas com diâmetros excecionalmente grandes em hidrogéis, que são normalmente macios e elásticos. Estas nanofolhas foram desenvolvidas e produzidas pelo Prof. Dr. Josef Breu na Universidade de Bayreuth. O resultado é uma estrutura altamente ordenada com cadeias de polímeros fortemente entrelaçadas entre as nanofolhas. Isto não só melhora as propriedades mecânicas do hidrogel, como também lhe permite curar-se a si próprio.

Cura através de "emaranhamento"

O segredo do material reside não só na disposição ordenada das nanofolhas, mas também nas cadeias de polímeros que se entrelaçam entre elas - combinadas com um processo de fabrico que é tão simples como cozer. Chen Liang, um investigador de pós-doutoramento da Universidade de Aalto, misturou um pó de monómeros com água contendo nanofolhas. A mistura foi depois colocada sob uma lâmpada UV - semelhante à cura de um verniz de unhas em gel. "A radiação UV da lâmpada faz com que as moléculas individuais se unam, criando um sólido elástico - um gel", explica Liang.

"O emaranhamento significa que as finas cadeias de polímeros se enrolam umas nas outras como pequenos fios de lã para formar um novelo de lã - mas numa disposição aleatória", acrescenta Hang Zhang da Universidade de Aalto. "Quando os polímeros estão completamente emaranhados, já não é possível distinguir os fios individuais. A nível molecular, são extremamente dinâmicos e móveis. Se o material for cortado, os fios começam a entrelaçar-se novamente".

Quatro horas após um corte com uma faca, 80 a 90 por cento do material já está curado. Após 24 horas, o material está normalmente completamente reparado. Uma película de hidrogel com a espessura de um milímetro contém cerca de 10.000 camadas de nanofolhas. Como resultado, o material é tão rígido como a pele humana e, no entanto, tem uma elasticidade e flexibilidade comparáveis.

"Os hidrogéis rígidos, fortes e auto-regenerativos são há muito um desafio. Descobrimos um novo mecanismo para reforçar os hidrogéis convencionalmente moles. Isto poderá revolucionar o desenvolvimento de novos materiais com propriedades bio-inspiradas", afirma Zhang.

Inspiração da natureza

"Este trabalho é um exemplo interessante de como os materiais biológicos nos inspiram a descobrir novas combinações de propriedades para materiais sintéticos", afirma Olli Ikkala da Universidade de Aalto. "Imaginemos robôs com uma pele robusta e auto-curativa ou tecidos sintéticos que se reparam a si próprios".

Embora ainda haja um longo caminho a percorrer até às aplicações na vida real, os resultados actuais constituem um passo em frente decisivo. "Trata-se de uma descoberta fundamental que poderá mudar fundamentalmente os princípios da conceção de materiais".

A colaboração na investigação foi liderada pelo Dr. Hang Zhang, pelo Prof. Olli Ikkala e pelo Prof. Josef Breu.

"A chave para a elevada resistência reside na adição de nanofolhas de argila ultra-largas mas finas, que se caracterizam por um inchaço extremamente uniforme na água. Para visualizar o fenómeno à nanoescala: Pode ser comparado a uma pilha de papel de impressora em que as folhas individuais estão separadas a uma distância uniforme de um milímetro. Os diâmetros das esferas de polímero estão correlacionados com a altura da fenda resultante e, por conseguinte, são "presas" entre as nanofolhas, explica Breu. A fricção com as nanofolhas que as envolvem aumenta a resistência.