Investigadores de Harvard desarrollan un material ecológico de impresión en 3D con memoria

Investigadores de Harvard desarrollan un material ecológico de impresión en 3D con memoria

Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de la Universidad de Harvard han desarrollado un material de impresión en 3D que puede ser preprogramado con capacidades de memoria de forma reversible.

El novedoso filamento del equipo de Harvard consiste en dos cadenas de queratina dispuestas en estructuras similares a muelles que han sido retorcidas juntas. Una vez combinado en una «bobina enrollada», el material es capaz de ser cambiado a cualquier forma antes de volver a su formación original en un «efecto de memoria de forma».

Dado que el material biocompatible del equipo fue creado utilizando lana reciclada, el polímero también tiene beneficios ecológicos potenciales, así como aplicaciones en los sectores de la prótesis médica y textil.

«Con este proyecto, hemos demostrado que no sólo podemos reciclar la lana, sino que podemos construir cosas a partir de la lana reciclada que nunca antes se habían imaginado», dijo Kit Parker, autor principal del trabajo. «Con la proteína de queratina reciclada, podemos hacer tanto o más que lo que se ha hecho con la esquila de animales y, al hacerlo, reducir el impacto ambiental de la industria textil y de la moda».

El número de aplicaciones de los materiales de memoria de forma ha aumentado exponencialmente en los últimos años. Las empresas de los sectores de la ingeniería civil, aeroespacial, de artículos de vestir y de dispositivos médicos están mostrando un aumento de la demanda de polímeros que se puedan adaptar y que ofrezcan más flexibilidad que los polímeros existentes.

A pesar de las recientes investigaciones en el área, el desarrollo de un material que sea tanto personalizable como biocompatible ha seguido siendo un desafío. En particular, ha resultado difícil controlar la organización de los mecanismos de actuación del polímero a nivel molecular en todas las escalas espaciales.

Las características de la memoria de forma se asocian a menudo con los materiales sintéticos, pero también se observan en los sustratos biológicos, con las hélices de base queratínica que demuestran una transición estructural continua. En los tejidos biológicos, como las cápsulas de huevos de caracol de mar o la piel de animales, han desarrollado esta transformación mecánica a través de la evolución para protegerse de los depredadores. Inspirado por sus aplicaciones en la naturaleza, el equipo de Harvard se propuso reproducir la reacción en un material de impresión altamente procesable.

El novedoso filamento de los investigadores se basa específicamente en la organización anisotrópica de la queratina que está presente en el pelo de los animales. El uso de lana natural como base para el material de impresión en 3D del equipo proporcionó muchos beneficios, como respuestas desencadenadas por el agua y una mayor resistencia a la tracción que los sistemas similares existentes. La producción basada en la extrusión también demostró ser muy compatible con la lana, ya que se autoorganizó en «protofibrillas» (o agrupaciones), lo que mejoró la procesabilidad.

El equipo de investigación utilizó queratina fibrilar, extraída de la lana de angora de la ropa desechada para crear su novedoso polímero de impresión en 3D. Para extraer y aprovechar el contenido de queratina de la lana, el equipo utilizó una combinación de soluciones de bromuro de litio y ditiotreitol (DTT) para inducir una transición de sólido a líquido. La queratina cristalizada resultante se extrajo más adelante, convirtiéndola de una droga proteínica en un hidrogel imprimible.

Con el fin de evaluar el impacto de la reacción química, el equipo desplegó un microscopio electrónico de transmisión criogénica para verificar que las cadenas de queratina individuales se habían formado con éxito en bobinas. Los resultados mostraron que las cadenas individuales habían convergido en protofibras más grandes que medían ∼3nm con poca evidencia de degradación de la proteína. Pruebas micrográficas posteriores también revelaron que el material tiene una resistencia a la tracción de +1,03MPa, igual a la de las fibras de nylon y seda.

De manera crítica, se encontró que las protofibras también se autoorganizan en una fase cristalina nemática cuando se someten a un esfuerzo de cizallamiento, mientras que vuelven a su forma original después de un estímulo preprogramado. Con el fin de evaluar el potencial de memoria de forma de su nuevo material, el equipo de Harvard 3D imprimió las hojas de queratina en una variedad de formas y estructuras.

Se utilizó entonces una mezcla de peróxido de hidrógeno y fosfato monosódico para dar a las formas un diseño permanente al que volver, y los prototipos se sumergieron en agua. Una vez sumergidos, los materiales se volvían maleables y se podían remodelar en cualquier disposición deseada, pero cuando se retiraban, las fibras secas volvían a sus formas preprogramadas.

El material de lana de los investigadores demostró ser capaz de reformarse en la forma preprogramada de una estrella de origami (en la foto). Imagen a través de Harvard SEAS.

A medida que las fibras se secaban y sus enlaces de hidrógeno comenzaban a reformarse, las láminas mostraban un repentino aumento de la tensión que se correspondía con el retorno del material al mismo nivel de resistencia a la tracción que antes. Después de la rehidratación y de varios ciclos de tensión-deformación, la eficiencia de recuperación de las fibras alcanzó valores cercanos al 100 por ciento con un encogimiento mínimo observable.

En general, los investigadores llegaron a la conclusión de que habían creado un material de impresión en 3D basado en fibras de estructura jerárquica única con propiedades de memoria de forma y un alto nivel de estabilidad mecánica. Según el equipo de Harvard, su recurso renovable podría aprovecharse en el futuro para producir textiles inteligentes biodegradables como prendas de vestir adaptables al cuerpo o productos médicos que absorben la energía de la tensión.

«Tanto si se utilizan fibras como ésta para fabricar sujetadores cuyo tamaño y forma de copa se pueden personalizar cada día, como si se trata de fabricar textiles actuadores para la terapéutica médica, las posibilidades de nuestro trabajo son amplias y apasionantes», concluyó Parker. «Seguimos reimaginando los textiles utilizando moléculas biológicas como sustratos de ingeniería como nunca antes se han utilizado».