Vedere dentro i gel intelligenti
Gli scienziati catturano il comportamento dinamico sotto stress
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I progressi nella scienza dei materiali hanno portato allo sviluppo di "materiali intelligenti", le cui proprietà non rimangono statiche ma cambiano in risposta a stimoli esterni. Uno di questi materiali è la poli( N -isopropilacrilammide), o PNIPAM, un gel polimerico che modifica la sua solubilità con la temperatura. Il polimero contiene gruppi amidici idrofili e gruppi isopropilici idrofobici. A basse temperature, i gruppi amidici formano forti legami idrogeno con l'acqua, mantenendo il materiale ben gonfio e solubile. Tuttavia, con l'aumento della temperatura, questi legami idrogeno si indeboliscono mentre le interazioni idrofobiche si rafforzano, facendo collassare le catene polimeriche in globuli compatti. Questa transizione avviene alla temperatura critica inferiore della soluzione (LCST), che è di circa 32 °C, vicina alla temperatura del corpo umano. Ciò rende il PNIPAM particolarmente interessante per le applicazioni biomediche. Ad esempio, può trasportare molecole bioattive mentre è gonfio e rilasciarle nell'organismo mediante deswelling. Inoltre, poiché le forze di taglio dei fluidi corporei sono presenti all'interno del corpo umano, è fondamentale studiare il comportamento della PNIPAM in condizioni specifiche.
Schema del dispositivo personalizzato di reo-impedenza, che applica simultaneamente lo sforzo di taglio e misura le mutevoli proprietà elettriche del gel. Questo dispositivo può rivelare in modo dinamico e non invasivo l'evoluzione della struttura interna e della conduttività del gel in condizioni reali, fornendo dati cruciali per la progettazione di materiali intelligenti migliori.
Dr. Isao Shitanda from Tokyo University of Science Image source link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.5c04227
Sebbene esistano numerosi studi sulle transizioni di fase di questi gel intelligenti, le ricerche sulla struttura interna e sulla conduttività elettrica restano ancora da chiarire. In questo contesto, è stato condotto un nuovo studio.
"Nessuno studio ha osservato cambiamenti strutturali microscopici all'interno del gel in condizioni di stress da taglio, o variazioni della conduttività elettrica all'interno del gel derivanti da cambiamenti strutturali macroscopici durante le transizioni di fase. I nostri risultati dovrebbero essere molto utili per comprendere i meccanismi funzionali dei gel polimerici termoregolabili in condizioni di flusso", afferma il dottor Shitanda.
Per studiare questo comportamento, i ricercatori hanno costruito un dispositivo di reo-impedenza. Il dispositivo combina un reometro e un potenziostato. Il reometro misura la rigidità o la morbidezza del gel sotto la forza e il potenziostato misura il movimento delle cariche elettriche attraverso il gel. Hanno anche utilizzato la diffusione di raggi X ad angolo ridotto (SAXS) per osservare direttamente come la struttura interna del gel si riorganizza durante il riscaldamento.
Nei loro esperimenti, il team ha ripetutamente riscaldato e raffreddato il gel tra i 20 e i 50 °C, applicando al contempo sforzi di taglio controllati al materiale, simulando applicazioni in tempo reale. Durante questi cicli, hanno misurato continuamente la variazione dell'impedenza elettrica del gel su un ampio spettro di frequenze.
Al di sotto dell'LCST, il gel si comporta come una rete idratata e flessibile in cui gli ioni si muovono facilmente, il che si traduce in una buona conduttività elettrica. Quando la temperatura sale al di sopra dell'LCST, all'interno del gel si formano regioni idrofobiche. Queste regioni agiscono come piccole chiazze isolanti che bloccano il movimento degli ioni, causando l'accumulo di carica e alterando sia la resistenza che la capacità.
La tensione di taglio ha prodotto ulteriori effetti. A basse deformazioni tra l'1 e il 5%, la forza applicata ha spinto la soluzione elettrolitica fuori dalle regioni idrofobiche, aprendo percorsi più conduttivi. A deformazioni moderate tra il 5-10%, il taglio continuo ha espulso ancora più elettrolita dall'interno del gel, riducendo la conduttività. Ad alte deformazioni, tra il 10-20%, i domini idrofobici interni hanno iniziato a rompersi. Ciò ha creato nuovi spazi vuoti e riorganizzato la rete in modo da aumentare nuovamente la conduttività.
Questi cambiamenti strutturali sono stati confermati dalle misurazioni rheo SAXS, che hanno mostrato il passaggio del gel da una rete uniforme a una struttura separata in fase con domini idrofili e idrofobici distinti sotto sforzo.
La PNIPAM è già utilizzata nei sistemi di somministrazione di farmaci, nelle impalcature cellulari e nei microattuatori grazie al suo comportamento meccanico ed elettrico sensibile alla temperatura. Il PNIPAM è altamente biocompatibile e può essere caricato con farmaci. Durante la somministrazione, i microgel si raccolgono nel sito di destinazione e, dopo un leggero riscaldamento, si verifica una transizione di fase che porta al rilascio del farmaco. Poiché la struttura interna del gel è legata alla resistenza meccanica, il PNIPAM potrebbe essere utilizzato per progettare robot morbidi e sensori flessibili. Questo nuovo metodo di reo-impedenza fornisce un modo non invasivo per sondare la rete interna di questi gel e offre una guida preziosa per lo sviluppo della prossima generazione di polimeri intelligenti. I ricercatori fanno notare che questo approccio potrebbe essere applicato al controllo di qualità di prodotti a base di gel come cosmetici, alimenti e prodotti farmaceutici, oltre che agli elettroliti polimerici.
"A differenza delle misurazioni statiche convenzionali, questo approccio consente una valutazione dinamica in situ delle transizioni funzionali all'interno degli idrogel e stabilisce una base metodologica per estendere l'analisi della reoimpedenza. Si prevede che questo diventerà un nuovo metodo di valutazione per migliorare la durata dei materiali", afferma il dottor Shitanda.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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