De acordo com o estado da Carolina do Norteuma equipe internacional de pesquisadores incorporou nanorods de ouro em hidrogéis que podem ser processados por meio de impressão 3D para criar estruturas que se contraem quando expostas à luz e se expandem novamente quando a luz é removida. Essa expansão e contração reversíveis podem ser repetidas várias vezes, permitindo que as estruturas impressas em 3D sirvam como atuadores controlados remotamente.
“Sabíamos que period possível imprimir em 3D hidrogéis que se contraíam quando aquecidos”, disse Joe Tracy, coautor correspondente de um artigo sobre o trabalho e de um professor de ciência e engenharia de materiais na NC State. “E sabíamos que você poderia incorporar nanorods de ouro em hidrogéis que os tornariam fotorresponsivos, o que significa que eles se contrairiam de forma reversível quando expostos à luz. Queríamos encontrar uma maneira de incorporar nanorods de ouro em hidrogéis que nos permitiria imprimir em 3D estruturas fotorresponsivas.”
Hidrogéis são redes de polímeros que contêm água, comumente encontradas em itens como lentes de contato e materials absorvente em fraldas. Os pesquisadores não imprimiram tecnicamente um hidrogel em 3D, mas sim uma solução contendo nanorods de ouro e todos os ingredientes necessários para criar um hidrogel.
“E quando essa solução impressa é exposta à luz, os polímeros na solução formam uma estrutura molecular reticulada”, disse Julian Thiele, coautor correspondente do artigo e catedrático de química orgânica na Otto von Guericke College Magdeburg. “Isso transforma a solução em um hidrogel, com as nanorods de ouro presas distribuídas por todo o materials.”
A solução de pré-hidrogel impressa em 3D tem viscosidade muito baixa e não pode ser impressa em um substrato common, pois resultaria em uma poça em vez de uma estrutura 3D. Para resolver esse problema, os pesquisadores imprimiram a solução em uma pasta translúcida de micropartículas de gelatina em água. O bico da impressora penetra na pasta de gelatina para imprimir a solução no formato desejado. Como a gelatina é translúcida, a luz pode penetrar na matriz, convertendo a solução em um hidrogel sólido. A estrutura inteira é então colocada em água morna, derretendo a gelatina e deixando para trás a estrutura de hidrogel 3D.
Quando essas estruturas de hidrogel são expostas à luz, as nanorods de ouro incorporadas convertem a luz em calor, fazendo com que os polímeros no hidrogel se contraiam, empurrando a água para fora e encolhendo a estrutura. Quando a luz é removida, os polímeros esfriam e reabsorvem água, expandindo a estrutura do hidrogel de volta às suas dimensões originais.
“Muito trabalho foi feito em hidrogéis que se contraem quando expostos ao calor”, disse Melanie Ghelardini, primeira autora do artigo e ex-aluno de doutorado na NC State. “Agora demonstramos que você pode fazer a mesma coisa quando o hidrogel é exposto à luz, enquanto também tem a capacidade de imprimir esse materials em 3D. Isso significa que aplicações que antes exigiam aplicação direta de calor agora podem ser acionadas remotamente com iluminação.”
“Em vez de aplicar fundição de molde convencional, a impressão 3D de estruturas de hidrogel oferece liberdade quase ilimitada no design”, disse Thiele. “E permite a pré-programação de movimento distinto durante a contração e expansão acionadas pela luz do nosso materials fotorresponsivo.”
O artigo, intitulado ‘Hidrogéis impressos em 3D como atuadores fototérmicos‘, é publicado no periódico de acesso aberto Polymers. O artigo foi coautorado por Jameson Hankwitz, um estudante de pós-graduação na NC State; Martin Geisler, Niclas Weigel, Nicolas Hauck e Jonas Schubert do Instituto Leibniz de Pesquisa de Polímeros de Dresden; e Andreas Fery do Instituto Leibniz de Pesquisa de Polímeros de Dresden e da Technische Universität Dresden.
Esta pesquisa foi realizada com o apoio da Nationwide Science Basis, sob a bolsa 1803785; das Escolas de Treinamento em Pesquisa da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) 1865: Microsistemas baseados em hidrogel e 2767, sob o número de projeto 451785257; da Fundação Alexander von Humboldt; do Centro de Materiais Inteligentes de Dresden; e do programa de pesquisa e inovação Horizonte 2020 da União Europeia, sob a bolsa 852065.