Hidrogeles de poliacrilamida: comportamiento mecánico y fractura

Abstract

Los hidrogeles son materiales poliméricos porosos que presentan una gran afinidad por el agua. Son, además, materiales muy blandos. Como consecuencia, su comportamiento mecánico es complejo y semejante al de muchos tejidos biológicos; lo que los hace potencialmente idóneos en multitud de aplicaciones biotecnológicas. Por el mismo motivo, los hidrogeles brindan la posibilidad de diseñar metodologías experimentales que sean capaces de captar el singular comportamiento de este tipo de materiales blandos, con la ventaja de disponer de forma sistemática de un material homogéneo en sus propiedades y, puesto que es fácilmente sintetizable en condiciones controladas de laboratorio, sometido a poca variabilidad. Estas metodologías serán de aplicación en tejidos biológicos y materiales similares. De aquí surge el principal objetivo de esta tesis doctoral: establecer una metodología experimental y de análisis adecuada para capturar el complejo comportamiento mecánico y en fractura de estos materiales. La respuesta mecánica de un hidrogel viene determinada por la confluencia o interacción de dos mecanismos de deformación dependientes del tiempo. Por un lado, cuando la red sólida porosa se deforma bajo la acción de una solicitación, se activan mecanismos de relajación asociados al movimiento de las cadenas poliméricas que la componen. Por otro, cuando se impone una solicitación mecánica sobre un hidrogel saturado de agua, el fluido retenido se ve obligado a moverse por el interior del material, lo que da lugar a un mecanismo de deformación secundario también dependiente del tiempo. Este segundo mecanismo está, a su vez, condicionado por la escala de la solicitación, pues el volumen de fluido que debe moverse cambia con el tamaño del ensayo. Si se asume la hipótesis de pequeñas deformaciones, el primer mecanismo puede describirse con modelos viscoelásticos y, el segundo, con ecuaciones propias de la poroelasticidad. La interacción entre estas contribuciones para dar lugar a la respuesta completa del hidrogel está aún en discusión. La mayoría de la bibliografía estudia este tipo de materiales asumiendo que uno de los dos mecanismos es el dominante. Sin embargo, existen determinadas escalas de ensayo en las que esta hipótesis no es cierta en absoluto y, además, la caracterización mecánica completa del material requiere, necesariamente, determinar las propiedades características de ambas contribuciones. El comportamiento en fractura está muy poco desarrollado en este tipo de materiales. Apenas existen estudios experimentales y los modelos empleados no tienen en cuenta los procesos dependientes del tiempo propios del comportamiento mecánica que exhiben estos materiales. Es necesario, por tanto, establecer técnicas experimentales y métodos de análisis que permitan determinar las propiedades características de cada uno de estos comportamientos En este trabajo se han seleccionado hidrogeles basados en poliacrilamida como objeto de estudio. Se han sintetizado muestras de hidrogel de poliacrilamida, mediante un método de polimerización radicálica, haciendo variar en un orden de magnitud el contenido de agente entrecruzante (0.6 % y 6 %). También se han obtenido hidrogeles de doble red de poliacrilamida/alginato haciendo variar la concentración másica de alginato en un 10%, 14% y 25% con respecto a la concentración polimérica total. La caracterización mecánica realizada se ha organizado en dos vías. Por un lado, se desarrollaron ensayos que permitieran describir el comportamiento poroviscoelástico característico de estos materiales. Para ello, se realizaron ensayos de relajación en torsión, que permiten caracterizar exclusivamente la contribución viscoelástica del material; pues al ser un ensayo desviador, no existe fuerza impulsora que active el flujo de fluido, inhibiéndose la respuesta poroelástica. Por otro lado, se han realizado ensayos de relajación mediante indentación instrumentada, cambiando el tamaño de indentación en cuatro órdenes de magnitud (desde 1 m hasta 4000 m, aproximadamente). Puesto que en este ensayo se activan simultáneamente los dos mecanismos de deformación, ya que el estado tensional tiene parte desviadora y esférica; el tamaño del ensayo se utiliza como elemento discriminador entre ambos, pues la contribución poroelástica es dependiente del tamaño de la solicitación y la viscoelástica no. En las escalas más pequeñas, el mecanismo viscoelástico es dominante, en cambio, en las más grandes, lo es el poroelástico...