Muchos campos científicos se están beneficiando actualmente del uso de materiales porosos, lo que los convierte en un tema de investigación candente. Su uso principal es usar sus poros para agarrar y almacenar partículas, a menudo sacándolas de la solución.

Sin embargo, aunque estos materiales tienen aplicaciones en el almacenamiento y la conversión de energía, la remediación de peligros ambientales, la fabricación de productos químicos, la biomedicina y la agricultura, exhiben una variedad de tamaños de poros, desde materiales macroscópicos a granel con poros de tamaño milimétrico, como esponjas o espumas, hasta minúsculas Partículas con poros subnanómetros, como estructuras metalorgánicas y grafeno poroso.

Los materiales con estos diferentes tamaños de poros tienen diferentes cualidades, fortalezas y debilidades. Los sólidos a granel con poros relativamente masivos tienen buenas tasas de transferencia de masa y estabilidad, pero muestran una mala utilización del espacio interior. Las partículas diminutas con poros más pequeños, por otro lado, tienen un área de superficie alta, lo que significa muchos lugares para que las partículas se unan, pero pueden ser quebradizas y difíciles de manejar.

Estas diferencias han alimentado el deseo de crear un solo material llamado «jerárquico» con tamaños de poro mixtos que puedan exhibir las fortalezas tanto de materiales a granel macroscópicos como de partículas diminutas. Sin embargo, el progreso en esta dirección ha sido limitado y la fabricación de tamaño multiporo sigue siendo difícil y costosa.

Un material poroso jerárquico inspirado en la sangre

En un nuevo artículo publicado en la revista ciencia avanzada Escrito por Lin Zhang y Yingchun Fu, investigadores del Equipo de Innovación de Equipos Bioindustriales (IBE) de la Universidad de Zhejiang, se propone un nuevo método para producir un material de múltiples poros inspirado en la coagulación de la sangre del cuerpo humano.

“La naturaleza puede ser una rica fuente de inspiración para el diseño y uso de materiales. La inspiración para este material es una historia interesante», dijo Zhang. “La coagulación de la sangre es un comportamiento fisiológico común pero delicado en los sistemas vivos. En sus etapas finales, una proteína llamada fibrinógeno se polimeriza en redes de fibrina para formar un coágulo con la adhesión de muchas células sanguíneas, sellando heridas desde micras hasta centímetros de diámetro y facilitando la cicatrización”.

Zhang explicó que estas heridas son análogas a los grandes poros de los materiales a granel macroscópicos, mientras que las células sanguíneas son similares a sus diminutas partículas. Por lo tanto, el proceso de curación los inspiró a usar fibrina como andamio para integrar los materiales macroscópicos a granel con sus poros grandes y partículas diminutas con poros más pequeños, cerrando así la gran brecha en la escala de tamaño de poro entre los dos.

El material resultante tiene tres niveles en los que los materiales a granel macroscópicos sirven como estructura primaria para un soporte robusto, mientras que la fibrina sirve como andamio puente de segundo nivel para tejer materiales con poros más grandes y más pequeños. Finalmente, los entramados metalorgánicos constituyen la estructura de tercer nivel, que actúan como elementos funcionales con grandes áreas de superficie específica y abundancia de sitios activos para albergar moléculas. El resultado es un material que recoge objetivos en solución con alta velocidad y capacidad.

El investigador agregó que el trabajo anterior del equipo ha demostrado que la fibrina se adhiere fuertemente a varios materiales, incluidos los nanomateriales inorgánicos y los biomateriales orgánicos, por lo que decidieron usarla en este material.

baches en el camino

La construcción de una estructura porosa jerárquica de tres niveles a base de fibrina fue una tarea atractiva pero desafiante para el equipo, que tuvo algunas sorpresas a pesar de su experiencia previa.

«Probamos diferentes métodos y condiciones para lograr esta estructura avanzada del material», explicó Fu. «Al principio, intentamos hacer los materiales en un solo paso agregando reactivos como fibrinógeno y trombina a los materiales a granel macroscópicos».

Fu continuó diciendo que la fibrina se presentaba como una película densa que cubría las estructuras de los materiales a granel macroscópicos y la superficie de las partículas diminutas, dejando sin usar el interior masivo de los materiales.

El equipo descubrió que las redes de fibrina preformadas podían atrapar y atraer las partículas diminutas, y estas, a su vez, podían actuar como anclas para la formación posterior de nanofibras de fibrina. Como resultado, más y más partículas diminutas podrían mezclarse de manera estable en el material a granel.

«Afortunadamente, cuando procedimos a agregar los reactivos para la fibrina y las partículas diminutas por separado, se conservó la estructura porosa jerárquica», dijo Fu. “La estructura es única y emocionante, ¿eh?

nos sorprendió».

Los materiales porosos son mejores en todos los tamaños.

Se necesita una nueva forma de material macroscópico poroso jerárquico, dijo Zhang, explicando que las plataformas actuales contienen dos tipos de poros, hechos ya sea procesando pequeñas partículas preformadas en materiales o modificando partículas en los marcos de los materiales.

«Los productos obtenidos por las estrategias anteriores sufren de una estructura de poros mal definida y agregación de partículas diminutas, lo que podría conducir a una difusión y estabilidad mecánica limitadas para las aplicaciones», dijo Zhang.

Agregó que la última estrategia, por otro lado, deja un interior masivo de los poros grandes del material sin explorar, con pocas partículas diminutas cargadas, lo que lleva a una función reducida.

«En nuestra opinión, la gran brecha entre los poros multiescala de los materiales macroscópicos a granel y las partículas diminutas es uno de los mayores obstáculos que dificultan la combinación de estos materiales para producir los materiales macroscópicos porosos jerárquicos», dijo.

El método inspirado en la coagulación de la sangre desarrollado por el equipo evita estos problemas al proporcionar una estrategia de puente dinámica que utiliza fibrina con una estructura de poros adecuada en la que se pueden cargar los poros más pequeños de partículas diminutas.

En cuanto a la utilidad de esta estrategia, el equipo dijo que hace que la producción del material jerárquico sea rápida, controlable y universal con solo dos pasos. El producto resultante es estable con alta resiliencia y tiene una nueva estructura porosa jerárquica de tres niveles.

El equipo ahora trabajará en la modificación de la fibrina para producir materiales a base de fibrina con elasticidad para crear materiales flexibles para dispositivos portátiles. Además, esperan hacer que el método de creación sea más asequible para que pueda implementarse y escalarse ampliamente.

Referencia: Yingchun Fu, et al., Estrategia de puente dinámico inspirada en la coagulación sanguínea para la fabricación de material poroso jerárquico ensamblado a escala múltiple, Ciencia avanzada, (2022). DOI: 10.1002/adv.202204702

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