Desarrollo y caracterización de actuadores blandos basados en hidrogeles magnéticos

• Autores: Francisco Jesús Vázquez Pérez
• Directores de la Tesis: Modesto Torcuato López López (dir. tes.), Luis Álvarez de Cienfuegos Rodriguez (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2024
• Idioma: español
• ISBN: 9788411959162
• Número de páginas: 199
• Tribunal Calificador de la Tesis: Ángel Vicente Delgado Mora (presid.), Silvia Alejandra Ahualli Yapur (secret.), Pavel Kuzhir (voc.), Mariusz Barczak (voc.), Maria Luisa Jiménez Olivares (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física y Ciencias del Espacio por la Universidad de Granada
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
• Resumen
  • español

    Los actuadores blandos son materiales deformables capaces de responder a diferentes tipos de estímulos. Las respuestas a los estímulos pueden ser muy variadas, desde cambios simples en alguna de las dimensiones del material hasta movimientos complejos que imitan figuras de origami y actuadores biomiméticos que emulan el comportamiento de diferentes tipos de seres vivos, como medusas, serpientes y gusanos, siendo además atractivos al poder liberar fármacos o desplazar cierto tipo de cargas. La mayoría de los actuadores blandos siguen el mismo principio para responder a estímulos externos: la anisotropía o la heterogeneidad. Estas se pueden conseguir con diferentes estrategias, como alternar partes activas y pasivas en el actuador, conseguir un gradiente de material en la muestra o un gradiente de partículas capaces de responder al estímulo. La aplicación de un campo magnético como estímulo para los actuadores es particularmente interesante y atractiva debido a su facilidad de uso, su capacidad para penetrar en entornos biológicos y su inocuidad para estos. Los hidrogeles están constituidos por una red tridimensional de fibras poliméricas hidrófilas y son capaces de retener una gran cantidad de agua o fluidos biológicos. Si en su formulación se incluyen partículas magnéticas, se obtienen hidrogeles capaces de responder a estímulos magnéticos (hidrogeles magnéticos). Este tipo de materiales son muy interesantes para la fabricación de actuadores blandos debido a su carácter biocompatible y su capacidad de responder a estímulos magnéticos, siendo posible preparar actuadores blandos basados en hidrogeles magnéticos utilizados como válvulas, en la liberación de fármacos, en aplicaciones basadas en la locomoción y torsión de los actuadores, como sistemas biomiméticos, como pinzas y como sensores.

    La hipótesis de partida de esta tesis doctoral es que es posible preparar novedosos actuadores blandos basados en hidrogeles magnéticos que experimenten movimientos complejos en respuesta a estímulos magnéticos. Por lo tanto, en esta tesis doctoral se pretende fabricar y caracterizar actuadores blandos basados en hidrogeles magnéticos, así como estudiar su respuesta ante determinados estímulos magnéticos. Para alcanzar este objetivo es necesario caracterizar la microestructura y las propiedades mecánicas y magnéticas de los hidrogeles en los que se basan los actuadores. También es necesario estudiar diferentes estrategias para la preparación de los hidrogeles, ya que la disposición de las partículas magnéticas dentro de la red polimérica definirá el tipo de respuesta que se obtendrá, así como las propiedades mecánicas de los hidrogeles caracterizarán la intensidad de las respuestas. Por otro lado, para entender la respuesta de los materiales y poder predecir sus respuestas, es necesario desarrollar modelos teóricos basados en el balance entre la energía elástica y magnética de los hidrogeles.

    Se ha estudiado la elongación de hidrogeles basados en alginato durante el proceso de magnetización (magnetostricción), diferenciados por la densidad de entrecruzamiento de la red polimérica, por la cantidad de partículas magnéticas y por la disposición de estas en la red polimérica. Al aumentar el grado de entrecruzamiento de la red aumenta el módulo de Young de los hidrogeles, pero disminuye la magnetostricción experimentada con los geles. Además, al aumentar la concentración de partículas magnéticas aumenta la elongación como respuesta al campo magnético. También es posible utilizar estos hidrogeles magnéticos para desarrollar una válvula accionada a distancia por el campo magnético generado por un imán. Por otro lado, se ha estudiado cómo la pre-alineación de las partículas magnéticas de los actuadores durante la etapa de curado define la futura respuesta al campo magnético de los diferentes actuadores. Con esta estrategia es posible preparar actuadores capaces de responder con flexión y torsión, e incluso actuadores capaces de reproducir comportamientos biomiméticos, como un actuador con forma de mariposa, que es capaz de experimentar aleteo cuando se somete a una secuencia de pulsos de campo magnético. Los actuadores que responden con torsión son actuadores quirales, y es posible utilizarlos para desarrollar una aplicación capaz de controlar la dirección de un flujo constante de una disolución por un canal. Para terminar, se ha estudiado la respuesta de torsión de actuadores cilíndricos quirales basados en hidrogeles magnéticos de alginato cuando uno de los extremos de estos actuadores está fijo. Esto aumenta en gran medida la respuesta de torsión de los actuadores, pudiéndose modular la respuesta de los actuadores en función de la concentración de partículas magnéticas utilizadas en la fabricación del hidrogel y el tipo de estas. Además, es posible lograr estados de no equilibrio, lo que da lugar a fenómenos de histéresis en la respuesta magneto-mecánica de los actuadores. Se han desarrollado modelos teóricos para los hidrogeles que se elongan bajo un campo magnético y para los actuadores quirales capaces de predecir los resultados experimentales obtenidos.

  • English

    Soft actuators are deformable materials capable of responding to various stimuli. Their responses can range from simple dimensional changes to complex movements that mimic origami shapes and biomimetic actuators that emulate the behavior of different living organisms, such as jellyfish, snakes, and worms. These actuators are particularly appealing because they can release drugs or transport certain types of cargo. Most soft actuators follow the same principle in response to external stimuli: anisotropy or heterogeneity. These can be achieved through different strategies, such as alternating active and passive parts in the actuator, creating a material gradient in the sample, or incorporating a gradient of particles capable of responding to the stimulus. Applying a magnetic field as a stimulus for actuators is especially interesting and attractive due to its ease of use, ability to penetrate biological environments, and safety for these environments. Hydrogels consist of a three-dimensional network of hydrophilic polymer fibers and can retain a large amount of water or biological fluids. When magnetic particles are included in their formulation, they become hydrogels capable of responding to magnetic stimuli (magnetic hydrogels). These materials are very interesting for the fabrication of soft actuators due to their biocompatibility and ability to respond to magnetic stimuli, making it possible to create soft actuators based on magnetic hydrogels used as valves, drug delivery systems, locomotion and torsion applications, biomimetic systems, tweezers, and sensors.

    The starting hypothesis of this doctoral thesis is that it is possible to prepare novel soft actuators based on magnetic hydrogels that exhibit complex movements in response to magnetic stimuli. Therefore, this doctoral thesis aims to fabricate and characterize soft actuators based on magnetic hydrogels and study their response to specific magnetic stimuli. To achieve this goal, it is necessary to characterize the microstructure and the mechanical and magnetic properties of the hydrogels on which the actuators are based. It is also essential to explore different strategies for preparing the hydrogels since the arrangement of magnetic particles within the polymer network will determine the type of response obtained, and the mechanical properties of the hydrogels will characterize the intensity of these responses. Furthermore, to understand the materials' behavior and predict their responses, it is crucial to develop theoretical models based on the balance between the elastic and magnetic energy of the hydrogels.

    The elongation of alginate-based hydrogels during the magnetization process (magnetostriction) has been studied, differentiating by the crosslink density of the polymer network, the amount of magnetic particles, and their arrangement within the polymer network. Increasing the crosslink density raises the Young's modulus of the hydrogels but decreases the magnetostriction experienced by the gels. Additionally, increasing the concentration of magnetic particles enhances elongation in response to the magnetic field. These magnetic hydrogels can also be used to develop a remotely actuated valve operated by a magnetic field generated by a magnet. Furthermore, the pre-alignment of the magnetic particles in the actuators during the curing stage has been studied, as it defines the future response to the magnetic field of different actuators. This strategy enables the preparation of actuators capable of responding with bending and torsion, and even actuators capable of reproducing biomimetic behaviors, such as a butterfly-shaped actuator that can mimic flapping when subjected to a sequence of magnetic field pulses. Actuators that respond with torsion are chiral actuators and can be used to develop an application capable of controlling the direction of a constant flow of a solution through a channel. Finally, the torsion response of cylindrical chiral actuators based on alginate magnetic hydrogels has been studied when one end of these actuators is fixed. This significantly enhances the torsion response of the actuators, allowing the response to be modulated based on the concentration of magnetic particles used in the hydrogel fabrication and their type. Additionally, it is possible to achieve non-equilibrium states, leading to hysteresis phenomena in the magneto-mechanical response of the actuators. Theoretical models have been developed for the hydrogels that elongate under a magnetic field and for the chiral actuators, capable of predicting the experimental results obtained.