Desarrollo y Caracterización de Actuadores Blandos Basados en Hidrogeles Magnéticos

Abstract

Los actuadores blandos son materiales deformables capaces de responder a diferentes tipos de estímulos. Las respuestas a los estímulos pueden ser muy variadas, desde cambios simples en alguna de las dimensiones del material hasta movimientos complejos que imitan figuras de origami y actuadores biomiméticos que emulan el comportamiento de diferentes tipos de seres vivos, como medusas, serpientes y gusanos, siendo además atractivos al poder liberar fármacos o desplazar cierto tipo de cargas.

La mayoría de los actuadores blandos siguen el mismo principio para responder a estímulos externos: la anisotropía o la heterogeneidad. Estas se pueden conseguir con diferentes estrategias, como alternar partes activas y pasivas en el actuador, conseguir un gradiente de material en la muestra o un gradiente de partículas capaces de responder al estímulo.

La aplicación de un campo magnético como estímulo para los actuadores es particularmente interesante y atractiva debido a su facilidad de uso, su capacidad para penetrar en entornos biológicos y su inocuidad para estos.

Los hidrogeles están constituidos por una red tridimensional de fibras poliméricas hidrófilas y son capaces de retener una gran cantidad de agua o fluidos biológicos. Si en su formulación se incluyen partículas magnéticas, se obtienen hidrogeles capaces de responder a estímulos magnéticos (hidrogeles magnéticos). Este tipo de materiales son muy interesantes para la fabricación de actuadores blandos debido a su carácter biocompatible y su capacidad de responder a estímulos magnéticos, siendo posible preparar actuadores blandos basados en hidrogeles magnéticos utilizados como válvulas, en la liberación de fármacos, en aplicaciones basadas en la locomoción y torsión de los actuadores, como sistemas biomiméticos, como pinzas y como sensores.

La hipótesis de partida de esta tesis doctoral es que es posible preparar novedosos actuadores blandos basados en hidrogeles magnéticos que experimenten movimientos complejos en respuesta a estímulos magnéticos. Por lo tanto, en esta tesis doctoral se pretende fabricar y caracterizar actuadores blandos basados en hidrogeles magnéticos, así como estudiar su respuesta ante determinados estímulos magnéticos. Para alcanzar este objetivo es necesario caracterizar la microestructura y las propiedades mecánicas y magnéticas de los hidrogeles en los que se basan los actuadores.

También es necesario estudiar diferentes estrategias para la preparación de los hidrogeles, ya que la disposición de las partículas magnéticas dentro de la red polimérica definirá el tipo de respuesta que se obtendrá, así como las propiedades mecánicas de los hidrogeles caracterizarán la intensidad de las respuestas. Por otro lado, para entender la respuesta de los materiales y poder predecir sus respuestas, es necesario desarrollar modelos teóricos basados en el balance entre la energía elástica y magnética de los hidrogeles.

Se ha estudiado la elongación de hidrogeles basados en alginato durante el proceso de magnetización (magnetostricción), diferenciados por la densidad de entrecruzamiento de la red polimérica, por la cantidad de partículas magnéticas y por la disposición de estas en la red polimérica. Al aumentar el grado de entrecruzamiento de la red aumenta el módulo de Young de los hidrogeles, pero disminuye la magnetostricción experimentada por los geles. Además, al aumentar la concentración de partículas magnéticas aumenta la elongación como respuesta al campo magnético.

También es posible utilizar estos hidrogeles magnéticos para desarrollar una válvula accionada a distancia por el campo magnético generado por un imán. Por otro lado, se ha estudiado cómo la prealineación de las partículas magnéticas de los actuadores durante la etapa de curado define la futura respuesta al campo magnético de los diferentes actuadores. Con esta estrategia es posible preparar actuadores capaces de responder con flexión y torsión, e incluso actuadores capaces de reproducir comportamientos biomiméticos, como un actuador con forma de mariposa, que es capaz de experimentar aleteo cuando se somete a una secuencia de pulsos de campo magnético.

Los actuadores que responden con torsión son actuadores quirales, y es posible utilizarlos para desarrollar una aplicación capaz de controlar la dirección de un flujo constante de una disolución por un canal. Para terminar, se ha estudiado la respuesta de torsión de actuadores cilíndricos quirales basados en hidrogeles magnéticos de alginato cuando uno de los extremos de estos actuadores está fijo. Esto aumenta en gran medida la respuesta de torsión de los actuadores, pudiéndose modular la respuesta de los actuadores en función de la concentración de partículas magnéticas utilizadas en la fabricación del hidrogel y el tipo de estas.

Además, es posible lograr estados de no equilibrio, lo que da lugar a fenómenos de histéresis en la respuesta magneto-mecánica de los actuadores. Se han desarrollado modelos teóricos para los hidrogeles que se elongan bajo un campo magnético y para los actuadores quirales capaces de predecir los resultados experimentales obtenidos.