Reología de los hidrogeles

Sarah Cotts | Morgan Ulrich
June 20, 2022

Caracterización y aplicación de los hidrogeles

Los hidrogeles son estructuras porosas tridimensionales que pueden absorber grandes cantidades de agua. Pueden estar compuestos de polímeros, proteínas, péptidos, coloides, surfactantes o lípidos.1 La capacidad de los hidrogeles para absorber grandes cantidades de agua es útil para muchas aplicaciones biológicas, incluso la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos. Dado que las propiedades de un hidrogel cambian a medida que absorbe agua, los científicos deben caracterizar con exactitud su conducta a diferentes magnitudes de saturación y en condiciones variables.

Un ejemplo de un hidrogel natural es el colágeno, la principal proteína estructural del cuerpo humano. Debido a su naturaleza fibrosa, el colágeno es un material ideal para estructuras tisulares: sus moléculas están estrechamente empaquetadas en fibrillas largas y, dependiendo de la disposición estructural exacta, pueden producir fibrillas con resistencias a la tracción similares a las del acero pero con cierta flexibilidad.

Las notables propiedades estructurales del colágeno, y su biocompatibilidad, hacen que se convierta en un material ampliamente utilizado, particularmente como andamio en la ingeniería de tejidos.2 Puesto que el colágeno es un material natural, sus cualidades varían de una muestra a otra. Por ende, puede ser un desafío fabricar productos a base de colágeno que tengan propiedades reproducibles. Sin embargo, la variabilidad inherente de los materiales de inicio naturales no es un desafío insuperable: simplemente exige que se realicen las pruebas correctas de propiedades del material para predecir su comportamiento para la aplicación final.

En todo este blog utilizaremos al colágeno como nuestro principal ejemplo de hidrogel para caracterizar. Sin embargo, estas mismas técnicas se pueden aplicar a cualquier hidrogel de cualquier material de origen.

Reología de los hidrogeles

La reología —la medida del comportamiento de flujo y deformación de líquidos y sólidos— es una metodología ideal para estudiar hidrogeles como el colágeno. Los hidrogeles son inherentemente viscoelásticos, lo que significa que muestran un comportamiento tanto viscoso como elástico. La reología dinámica (oscilatoria) caracteriza estos materiales complejos e informa mediciones cuantitativas de viscoelasticidad:

  • Módulo de almacenamiento o elástico: la cantidad de energía que debe aplicarse para deformar la muestra
  • Módulo de pérdida: la energía que se pierde a medida que el material recupera su forma original después de la deformación
  • Tangente (Tan) delta: la relación entre el módulo de pérdida y el módulo de almacenamiento y la medida de las capacidades de amortiguación del hidrogel

Estas mediciones de viscoelasticidad son cruciales cuando se intenta comprender las diferencias del grado de reticulación, transición vítrea, heterogeneidad y peso molecular entre las muestras de hidrogel, y la manera en que repercute sobre el rendimiento del uso final.1 Los reómetros miden fácilmente la viscoelasticidad y son la herramienta ideal para optimizar estas cualidades.

Otra medida importante que es crucial para los hidrogeles es el límite elástico. Muchos hidrogeles son materiales inyectables, de modo que el límite elástico es muy importante, porque determina cómo se retiene el hidrogel en el punto de inyección. La respuesta de cizallamiento o de corte también determina qué tan fácil es inyectar la solución de hidrogel.

Dado que diferentes materiales de inicio de colágeno pueden tener propiedades físicas y térmicas muy diferentes, los investigadores deben caracterizar con sumo cuidado el colágeno en condiciones de aplicación realistas para seleccionar los mejores materiales para usos específicos.3 Las capacidades de barrido rápido del equipo de prueba de reología hacen que el procesamiento industrial de colágeno sea tanto eficiente como rentable.

Cómo elegir el mejor reómetro para hidrogeles

La realización de mediciones de reología reproducibles y de alta calidad requiere el instrumento de prueba adecuado. TA Instruments es un líder mundial en el diseño y fabricación de sistemas de prueba para las propiedades de los materiales, incluso para reología.

Nuestro reómetro distintivo, el reómetro híbrido Discovery (Discovery Hybrid Rheometer, DHR), es un instrumento líder en la industria para mediciones reológicas. El DHR, que es fácil de usar, realiza una amplia gama de mediciones de análisis estándar y avanzadas que son cruciales para la caracterización de hidrogel.

El Discovery HR

El Discovery HR puede realizar varios procedimientos operativos estándar para el control de calidad de los hidrogeles de colágeno, incluso la evaluación de la viscoelasticidad, y la evaluación de en qué condiciones de estrés la deformación del hidrogel comienza a tornarse no elástica4. Para los hidrogeles, este tipo de evaluación tiene particular importancia, porque las muestras que presentan esas propiedades viscoelásticas a porcentajes de deformación muy bajos no serán idóneas para el producto final. El reómetro híbrido Discovery (Discovery HR) permite identificar con rapidez a los candidatos más adecuados para aplicaciones médicas específicas.

El reómetro híbrido Discovery está diseñado para facilidad de uso en mediciones simples y avanzadas. El instrumento también es compatible con el software TRIOS AutoPilot para crear rutinas automatizadas, incluso medición, análisis y generación de informes. Para la fabricación industrial, donde el tiempo es esencial, este software puede ayudar a acelerar la toma de decisiones y reducir el tiempo de capacitación de los nuevos usuarios.

Para las mediciones de reometría, el Discovery HR tiene varios sistemas de temperatura y cámaras de temperatura, incluso un sistema de humedad relativa que puede ser útil para medir hidrogeles higroscópicos en diferentes condiciones ambientales.

El Discovery HR puede realizar reología rotacional y análisis mecánico dinámico lineal en un solo instrumento en condiciones de temperatura controlada. La excelente sensibilidad del DHR permite realizar mediciones en materiales con una gama de durezas, desde acero hasta colágenos más flexibles.

Para obtener más información acerca de la evaluación reológica de hidrogeles, lea nuestra nueva nota de aplicación sobre reología de hidrogeles. Las soluciones personalizadas y el asesoramiento por parte de expertos están a solo una llamada o un clic de distancia: comuníquese con nosotros para saber cómo los reómetros de TA Instruments pueden mejorar su eficiencia y control de calidad cuando esté trabajando con biomateriales complejos.

Referencias:

  1. Baby, D. K. (2020). Chapter 9 – Rheology of hydrogels. In Rheology of Polymer Blends and Nanocomposites. Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816957-5.00009-4 
  2. Dong, C., & Lv, Y. (2016). Application of Collagen Scaffold in Tissue Engineering: Recent Advances and New Perspectives. Polymers, 8(42), 1–20. https://doi.org/10.3390/polym8020042  
  3. Meyer, M. (2019). Processing of collagen based biomaterials and the resulting materials properties. BioMedical Engineering OnLine, 18(24), 1–74. https://doi.org/10.1186/s12938-019-0647-0 
  4. Perez-Puyana, V. et al. (2020). Fabrication and Characterization of Hydrogels Based on Gelatinised Collagen with Potential Application in Tissue Engineering. Polymers, 12(5):1146. https://doi.org/10.3390/polym12051146