Polímeros con gradiente mecánico

Los materiales de gradiente polimérico (PGM) son una clase de polímeros con propiedades mecánicas que cambian gradualmente a lo largo de una dirección definida, lo que crea un material anisotrópico . Estos materiales se pueden definir en función de la dirección y la inclinación del gradiente utilizado y pueden mostrar transiciones graduales o de gradiente. ^[1] Se puede utilizar una amplia gama de métodos para crear estos gradientes, incluidos los gradientes en los rellenos de refuerzo, la densidad de reticulación o la porosidad, por nombrar algunos. La impresión 3D se ha utilizado para combinar varios de estos métodos en una técnica de fabricación. ^[2]

Estos materiales pueden inspirarse en la naturaleza, donde los gradientes mecánicos se utilizan comúnmente para mejorar las interfaces entre dos superficies diferentes. Cuando dos materiales que tienen módulos diferentes se conectan entre sí en una bicapa, esto puede crear una unión débil, mientras que un gradiente mecánico puede reducir la tensión y la deformación de la conexión. Por el contrario, se ha demostrado que una junta a tope que da lugar a una unión entre materiales con poco o ningún gradiente es más débil que los componentes homogéneos. ^[3]

Los polímeros con gradientes mecánicos no se fabrican tan ampliamente como los que se encuentran en la naturaleza, y también pueden existir gradientes no deseados durante el proceso de fabricación. Los materiales no siempre son completamente uniformes a pesar de las intenciones del fabricante, y estos gradientes no deseados pueden debilitar el material en lugar de mejorarlo. Por lo tanto, los gradientes mecánicos deben aplicarse correctamente a la aplicación particular para evitar la introducción de inestabilidades. ^[4]

Los rellenos de refuerzo, como los nanotubos de carbono , que tienen módulos mecánicos altos, se han utilizado comúnmente para crear compuestos de polímeros con alta resistencia y tenacidad. ^[5] Dado que el módulo y la cantidad de relleno están vinculados, al variar la cantidad de relleno en el polímero, el módulo cambiará de manera similar. ^[6] Además, dado que los nanorellenos largos crean módulos anisotrópicos, si la dirección del nanorelleno pudiera modificarse a lo largo de la longitud del polímero, el gradiente del módulo también podría ajustarse de esta manera.

Un enfoque común para aumentar la resistencia mecánica de los polímeros incluye cambiar la densidad de reticulación del polímero. Las reticulaciones conectan las cadenas de polímero creando una red que resiste la deformación. Por lo tanto, aumentar la densidad de reticulación en una sección de un polímero aumentará el módulo en esta ubicación. Esto se puede utilizar para crear un gradiente mecánico si la densidad de reticulación cambia a lo largo del polímero. Un enfoque común para lograr esto es utilizar un proceso de fotopolimerización que, con cambios en la exposición a los rayos UV, puede cambiar el grado de reticulación o polimerización en el área expuesta. ^[7] De manera similar, la cantidad de iniciador o reticulante podría variar a lo largo de la muestra creando un efecto similar.

La porosidad se puede utilizar para disminuir el módulo de un polímero, como se observa en las espumas de polímero, y como se observa en el hueso, un cambio en la porosidad y, por lo tanto, en la densidad, también se puede utilizar para crear un gradiente mecánico a lo largo de su sección transversal. ^[8]

Existen muchos ejemplos en la naturaleza en los que los tejidos blandos y las superficies duras están conectados por un gradiente mecánico para mejorar la resistencia a las fracturas y al impacto. Algunos ejemplos incluyen los mejillones que se conectan a las rocas duras por el biso del mejillón, que se conecta de nuevo al músculo blando del pie. ^[9] Un ejemplo más extremo es el pico del calamar, que tiene una punta extremadamente dura necesaria para matar y desmembrar a su presa, que se conecta de nuevo a la carne blanda del cuerpo del calamar . Sin el gradiente mecánico en el pico, el calamar no podría soportar los altos impactos a pesar de su dureza, ya que se rompería del cuerpo en la unión entre los materiales. ^[10]

Como se mencionó anteriormente, muchos sistemas en la naturaleza incorporan gradientes mecánicos y, de manera similar, estos gradientes pueden ser útiles para los implantes biomédicos. Muchos implantes son rígidos y pueden causar daños a los tejidos circundantes debido a esta diferencia de rigidez. Este es un problema, por ejemplo, en los microelectrodos implantados en el cerebro, que son extremadamente blandos. El daño causado puede crear una acumulación de tejido fibroso que puede interferir con la señal entre el electrodo y el cerebro. ^[11] De manera similar, en los implantes de rodilla y cadera, existe la necesidad de una alta integración entre el hueso fuerte y el cartílago y el tejido. De lo contrario, pueden ocurrir problemas como el blindaje contra el estrés donde el hueso se degenera debido a que el implante tiene un módulo demasiado fuerte. ^[12]