Materiales flexibles de queratina como sensores de deformación

R. NUÑEZ; T. ARNAL; X. GUERBI; F. MICHELINI; C. J. PÉREZ; C. BERNAL; A. BERRA; G. J. COPELLO

Simposio; XV Simposio Argentino de Polímeros (SAP 2023) y I Congreso Argentino de Materiales Compuestos (COMAT 2023); 2023

La demanda de sistemas de monitoreo con fines diagnósticos aplicables sobre el cuerpo humano (tecnologías vestibles) se ha incrementado sustancialmente en los últimos años para su utilización en pacientes internados o ambulatorios, e incluso en personas sanas [1]. Las tecnologías vestibles se definen como dispositivos híbridos que pueden ser utilizados sobre el cuerpo, que pueden integrarse completamente con los movimientos y la vida diaria de los usuarios, y que permiten transducir deformaciones mecánicas a señales eléctricas para obtener información de interés [2]. En respuesta a esta necesidad se ha desarrollado un material flexible, liviano y sensible a la deformación, a partir de queratina obtenida de cuernos bovinos y reactivos de bajo costo. El empleo de queratina como materia prima para la fabricación de sensores de deformación responde al interés de reemplazar la utilización de plásticos descartables provenientes de fuentes fósiles y de baja biodegradabilidad, por biopolímeros sustentables, altamente biocompatibles y biodegradables [3]. El material se preparó mediante hidrólisis básica de polvo de cuerno a temperaturas moderadas (40 °C), obteniendo membranas con las dimensiones deseadas mediante solvent casting. La preparación del material también involucró la incorporación de solventes eutécticos profundos (DES) en la etapa de hidrólisis. Los materiales desarrollados se constituyen como eutectogeles, donde la fase dispersa está formada por el DES principalmente, mientras que la fase continua por las fibras de queratina. El DES funcionó como plastificante, aportando flexibilidad al material y mejorando la dispersión del polvo de cuerno, obteniéndose geles más homogéneos. Adicionalmente, la presencia del DES facilita la retención de humedad por parte de los materiales, condición necesaria para el funcionamiento de los sensores. Se ensayaron proporciones de DES entre 0 y 70 % p/p respecto de la masa de polvo de cuerno, evaluando su influencia sobre el material obtenido a partir de diferentes parámetros de interés (humedad, extensión y fuerza al quiebre, conductividad eléctrica, factor Gauge GF). Se optimizaron las condiciones de síntesis del material maximizando los parámetros indicados anteriormente, con el objetivo de obtener un sensor con mejor retención de humedad, más flexibles y resistentes, con alta conductividad eléctrica y alta sensibilidad. Los eutectogeles mostraron extensiones máximas entre 20 % - 40 %, y humedades relativas entre 16 % - 25 % (en masa). En comparación, materiales preparados en ausencia de DES mostraron extensiones máximas de 2 % con humedades relativas con valores entre 2 y 5 %. El análisis de los geles mediante espectroscopía de impedancia electrónica (EIS) indicó que los mismos presentan altas conductividades eléctricas, tomando valores entre (0,3 – 3) x10-3 S/cm. La conductividad fue mayor para geles con mayor contenido de DES, como consecuencia de la mayor concentración de iones en el seno del material. El GF, medida de la sensibilidad de este tipo de sensores, es determinado a partir de la variación de resistencia eléctrica por unidad de deformación. Para materiales con alto contenido de DES se obtuvieron resultados de alrededor de 3 unidades de GF (con extensiones máximas de 40 %), lo que representa una alta sensibilidad considerando otros materiales con propiedades y composiciones similares [4]. Adicionalmente, se realizaron experimentos de reometría rotacional sobre los eutectogeles a temperaturas debajo de 0 °C para evaluar sus propiedades anti-freezing, y se evaluó citotoxicidad in vitro de los materiales sobre líneas celulares de fibroblastos humanos mediante el ensayo del MTT. Los resultados de estos ensayos se discutirán en el trabajo final.