Los hidrogeles son macromoléculas que guardan cierta analogía con los aerogeles. La diferencia es que los hidrogeles se hinchan fácilmente de agua o de disoluciones acuosas. Algunos pueden llegar a adquirir un contenido de agua de más del 90%. Se trata de redes tridimensionales de cadenas poliméricas flexibles que poseen grupos funcionales hidrófilos como –OH, –COOH, –CONH2, –CONH o –SO3H. Desde un punto de vista fisicoquímico son compuestos muy interesantes porque el entrecruzamiento del polímero no solo se produce por enlaces covalentes, sino también por enlaces de hidrógeno, fuerzas electrostáticas, incluidas las interacciones dipolo-dipolo, o interacciones hidrofóbicas (acercamiento de grupos hidrófobos entre sí para alejarse del agua). Por otro lado, esos propios grupos funcionales permiten a los hidrogeles interaccionar con agua también por enlaces de hidrógeno. Cuando están hinchados de líquido normalmente son blandos y elásticos; cuando se secan cristalizan.
En general, son bastante biocompatibles, lo que les otorga una gran aplicabilidad en medicina y farmacología. Las lentes de contacto, por ejemplo, son hidrogeles (comúnmente de polimetacrilatos modificados). Pero también estos materiales se están empleando, y cada vez más, como liberadores de fármacos (anticancerígenos, antibióticos, analgésicos…). Otra aplicación es la fabricación de vendajes (figura 6.11-izqda.) ya que no solo suponen un repositorio de agua, sino también, si se desea, de proteínas u otras moléculas que favorezcan la curación de las heridas. En agricultura se usan como reservas de agua (figura 6.11-dcha.) y acondicionadores de suelos, especialmente la poliacrilamida, el poliacrilato de sodio (apartado 6.5) y copolímeros de estos dos.
Una macromolécula que tiene interesantes propiedades de hidrogel es la poli(N-isopropilacrilamida), cuya estructura puede verse en la figura 6.12-izqda. Este hidrogel tiene dos propiedades muy singulares: es termosensible y fotosensible, lo que significa que experimenta cambios estructurales con la temperatura y la luz. De los polímeros que tienen capacidades de este tipo se dice que son inteligentes. Además de a los factores mencionados pueden responder al pH, a campos eléctricos o magnéticos, a disolventes, etc.
Las propiedades termosensibles del hidrogel de poli(N-isopropilacrilamida) se explican por una transición de fase que experimenta el material a parir de cierta temperatura y que consiste en pasar de una forma lineal a una forma globular (figura 6.12-dcha). Esta transición es reversible y conlleva la pérdida/ganancia de grandes cantidades de agua dependiendo de que la temperatura esté por encima o por debajo de un valor que se denomina temperatura inferior de disolución crítica y que en este polímero es de aproximadamente 32 oC[3]. (El significado de esta variable es que por debajo de 32 oC el agua y el polímero son miscibles en todas las composiciones de mezcla, pero por encima de 32 oC la miscibilidad solo es posible para ciertas composiciones).
La forma lineal del polímero está hinchada de moléculas de agua unidas por enlaces de hidrógeno con los grupos amida (–CO–NH–) de las cadenas, tanto al grupo CO como al NH. Pero, cuando se supera la temperatura critica, dentro del polímero se rompen los enlaces con el agua y en cambio se forman enlaces de hidrógeno entre los grupos amida de unas y otras cadenas, y además se producen interacciones hidrofóbicas entre los restos alquílicos (isopropilo, (CH3)2–CH–, y vinilo, –CH2–CH=) de las cadenas. Todo ello conduce a la adopción de una forma globular deshinchada de agua. En la figura 6.13 se ilustra este proceso reversible.
Este proceso tiene una explicación termodinámica análoga a la que se dio en el apartado 6.1 para la despolimerización del poliftalaldehído. Que la reacción transcurra en un sentido o en el opuesto depende del cambio de energía de Gibbs, . El proceso será espontáneo en el sentido en que la disminuya, es decir, . Se sabe que la captación de agua por parte del polímero (hinchamiento) es exotérmica ( debido a la formación de enlaces de hidrógeno entre los grupos polares del polímero y las moléculas de agua[5]. Por lo tanto, el proceso de formación de glóbulos tiene . También es positivo el cambio de entropía porque la forma globular implica un mayor desorden en el sistema en conjunto, ya que en la estructura linear las cadenas están enlazadas a las moléculas de agua. Por lo tanto, . En consecuencia, el signo de en la ecuación [6.1] depende de y esto explica que a menos de cierta temperatura (en este caso, 32 oC) el proceso ilustrado en la figura 6.13 tenga un sentido y a más de esa temperatura tenga el opuesto.
Como se ha dicho antes, este polímero es también fotosensible. Así, se ha comprobado que cuando se dirige luz láser hacia una punto de un objeto microscópico de poli(N-isopropilacrilamida) en forma de rodillo, este se encoge en la zona donde incide el láser debido a un proceso de deshidratación. Cuando se apaga el láser, el rodillo vuelve a su forma original. Pero lo más particular es que la causa del fenómeno no parece fototérmica, sino una respuesta del gel a la presión de luz que recibe del rayo láser[6]. (La radiación electromagnética, efectivamente, ejerce presión, y en este hecho se podría basar la propulsión espacial mediante velas semejantes a las de los barcos, con la diferencia de que la fuerza motriz no sería el viento, obviamente, sino la luz del Sol).
El proceso es reversible. Esto se explica porque las fuerzas atractivas y repulsivas entre las moléculas vecinas están sutilmente balanceadas, de modo que pequeños cambios químicos y físicos o incluso la debilísima presión de una radiación electromagnética, como es el caso, pueden alterar el equilibrio, haciendo que el polímero se expanda o contraiga. En esta propiedad se basa la posibilidad de emplear la poli(N-isopropilacrilamida) o copolímeros suyos como “músculos” para robots, ya que se puede conseguir que la acción del láser sea muy rápida y precisa[7].
Las aplicaciones de la capacidad de los hidrogeles de responder a estímulos aumentan significativamente cuando se crean bicapas de dos hidrogeles diferentes. La diferente capacidad de hidratación de cada capa en distintos medios puede utilizarse con variados fines. Un ejemplo de material de hidrogel bicapa es el que se obtiene adosando una capa de un poliácido a una de una polibase. Se ha observado que a pH bajo la bicapa se dobla en un sentido debido a que se encoge la capa de poliácido, pero a pH alto se dobla en el otro sentido.
La imagen 6.14 muestra un ejemplo de pieza hecha con una bicapa de hidrogeles que sirve como actuador. En función del pH y la temperatura la pinza puede adoptar distintas configuraciones. Por ejemplo, a pH 6,5 puede actuar como pinza que se abre o cierra dependiendo de T.
Ejemplos como este demuestran que los hidrogeles se pueden usar como dispositivos capaces de activar procesos físicos (es decir, actuadores) que transformen entre sí distintos tipos de energía (en este caso, térmica en mecánica).
[1] Imágenes: varios lugares de Internet.
[2] L. Rovigatti et al. Soft Matter 15 (2019) 1108-1119. https://doi.org/10.1039/C8SM02089B.
[3] M. H. Futscher et al. Sci. Rep. 7 (2017) 17012. https://doi.org/10.1038/s41598-017-17272-7.
[4] Imagen: S. Lanzalaco y E. Armelin, E. Gels 3 (2017). https://doi.org/10.3390/gels3040036.
[5] Q. Xiang y P. C. Morais. J. Nanomed. Nanotechnol. 5 (2014). 1000209 https://doi.org/10.4172/2157-7439.1000209.
[6] Imagen: Y. Tsuboi et al. Polym. J. 40 (2008) 367-374. https://doi.org/10.1295/polymj.PJ2007186.
[7] M. Schwartz. Preface. En M. Schwartz (ed.). Encyclopedia of smart materials (vols. 1 y 2). John Wiley & Sons (2002).
[8] Imagen: J. Shang. Polym. Chem., 10 (2019) 1036-1055. https://doi.org/10.1039/C8PY01286E.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
