Os hidrogéis são materiais macios e biocompatíveis, compostos principalmente de água e um pouco de polímero. Essa substância gelatinosa está disponível na forma de adesivos, sprays e colas medicinais, podendo ser aplicada na pele ou implantada no corpo para tratar feridas, fixar implantes e encapsular e liberar medicamentos ao longo do tempo. 

Apesar de suas propriedades adesivas, elásticas e protetoras, os hidrogéis carecem de uma característica fundamental: a respirabilidade. Se usados por muito tempo, um curativo ou adesivo pode reter umidade e suor, o que pode irritar os tecidos e reduzir a eficácia de qualquer dispositivo ao qual o hidrogel esteja aderido.  

Agora, engenheiros do MIT desenvolveram uma receita para um hidrogel que é ao mesmo tempo hidratado e aerado, ou seja, permeável ao ar. O novo material é tão macio, elástico e resistente quanto os hidrogéis convencionais, mas uma rede de minúsculos túneis que atravessam o gel permite a passagem de ar. 

O hidrogel aerado pode ser usado por períodos mais longos em comparação com os hidrogéis convencionais, sem causar irritação na pele. Ele também pode reduzir o acúmulo de suor, mesmo durante exercícios físicos. Em experimentos, voluntários usaram monitores cardíacos sem fio fixados ao peito com o novo hidrogel respirável. Após 10 dias de exercícios regulares, os voluntários não apresentaram sinais de irritação na pele e os monitores cardíacos mantiveram leituras precisas.  

Os resultados, divulgados hoje na revista Nature , podem viabilizar produtos de hidrogel mais duradouros, como curativos e bandagens respiráveis, máscaras faciais cosméticas e lentes de contato, além de monitores de saúde e implantes com melhor desempenho. 

“Água e oxigênio são essenciais para a vida”, diz Xuanhe Zhao, professor titular da Cátedra Uncas (1923) e Helen Whitaker de Engenharia Mecânica, além de professor de Engenharia Civil e Ambiental e de Engenharia e Ciências Médicas. “Agora que adicionamos ar aos hidrogéis, podemos encontrar uma ampla gama de aplicações.”

Os coautores do estudo de Zhao no MIT incluem Xiao-Yun Yan, Shucong Li, Won Jun Song, Runze Li, Bastien Aymon, Jingjing Wu, Gengxi Lu, Jiayi Liu, Shu Wang, Eric Lu, Hyunhee Lee, James Zhang, Casey O'Brien e Zachary Smith, juntamente com colaboradores de várias outras instituições.

A água compõe cerca de 90% de um hidrogel típico. O restante do material consiste em polímeros. Quando misturados com água em um processo químico conhecido como "reticulação", os polímeros se organizam em uma espécie de estrutura que retém a água, formando um gel que é ao mesmo tempo macio e elástico. Mas, como a composição do hidrogel é principalmente água, é inerentemente difícil para o ar penetrar no material de forma eficaz. 

“Em geral, a água não é respirável”, diz a coautora principal Xiao-Yun Yan. “O hidrogel é composto de 80 a 90% de água, semelhante à gelatina. E não é possível respirar através da gelatina.”

Outros grupos tentaram projetar hidrogéis permeáveis ao ar, principalmente adotando uma de duas abordagens. A primeira consiste em perfurar orifícios microscópicos por todo o gel. Esses hidrogéis são respiráveis, mas apenas no ar. Quando colocados em líquido, os orifícios entopem rapidamente. 

Pesquisadores também tentaram misturar hidrogel com certos polímeros, como o silicone, que naturalmente permitem a passagem de ar. Mas essa abordagem exige a adição de uma grande quantidade de polímeros ao hidrogel para criar espaço permeável suficiente para que o ar circule por todo o gel. Esses hidrogéis acabam apresentando um equilíbrio maior entre polímero e água, tornando-os, em geral, menos hidratados. 

Zhao, que tem sido um líder no desenvolvimento e aplicação de hidrogéis, procurou criar um hidrogel que permitisse a passagem de ar sem perder sua composição rica em água. 

“Queremos ter muitos canais minúsculos para permitir a passagem de ar, mantendo ao mesmo tempo bastante água no gel”, diz Zhao. “Este foi um desafio significativo e algo que as pessoas achavam impossível de fazer.”

Após vários anos de investigação, a equipe descobriu uma receita ideal para um hidrogel respirável que minimiza os ingredientes não aquosos necessários para permitir a passagem de ar. Em seu novo estudo, eles relatam que a chave para a receita é a “separação de fases”. Um exemplo comum desse processo é a interação entre óleo e água. A diferença nas fases dos dois líquidos faz com que eles se separem instantaneamente. Quando os dois são misturados, o óleo e a água se agrupam, evitando o contato entre si. 

Zhao e seus colegas aproveitaram a separação de fases viscoelásticas para criar um hidrogel respirável. Para seu novo projeto, eles misturaram sua receita convencional de hidrogel com uma quantidade muito pequena de partículas de aerogel de sílica, que são essencialmente bolhas de ar em estado sólido. 

E, como se constatou, as partículas são semelhantes ao óleo quando misturadas com água. Os pesquisadores descobriram que, ao misturar uma pequena quantidade das partículas com uma solução do hidrogel rico em água, as moléculas de água se aglomeravam, encontrando-se umas às outras mais rapidamente do que as partículas de sílica, menos abundantes. Esse efeito de separação de fases viscoelásticas criou grandes bolsas de água e comprimiu as partículas de sílica em túneis estreitos e interconectados. A equipe observou que, após algumas horas, esse efeito formou uma rede de túneis finos e resistentes, revestidos de sílica, por onde o ar podia fluir.

“É como se as partículas formassem uma rede de túneis interligados, como rodovias permeáveis ao ar dentro do hidrogel hidratado”, diz o coautor principal Shucong Li. 

Após confirmarem a formação da rede, a equipe promoveu a reticulação da mistura, essencialmente congelando o gel e sua rede respirável no local. Em seguida, testaram a respirabilidade e o desempenho mecânico do gel em diversos experimentos, incluindo um no qual pediram a vários voluntários que usassem o gel, conectado a um monitor de eletrocardiograma (ECG) sem fio, enquanto se exercitavam por 20 minutos. Os voluntários também usaram monitores com adesivos de hidrogel comerciais convencionais.

Ao longo dos treinos, os pesquisadores observaram que o hidrogel respirável manteve um sinal de ECG forte, em contraste com o gel convencional, que apresentou flutuações significativas no sinal. Os pesquisadores observaram resultados semelhantes em um experimento com vários voluntários que usaram o hidrogel respirável e o monitor de ECG por mais de 10 dias. 

“Observamos com segurança que, após 10 dias, a qualidade do sinal de ECG ainda era bastante boa e, depois de remover o monitor, não havia bolhas ou vermelhidão perceptíveis na pele”, diz Li. “Isso indica condições saudáveis da pele.”

A equipe também testou o próprio gel, submetendo-o a 10.000 ciclos de alongamento e compressão. Após esses testes, constataram que o gel ainda mantinha a rede de canais de ar, preservando sua respirabilidade. 

“Após 10.000 ciclos, houve uma queda de menos de 5% na permeabilidade ao oxigênio”, diz Li. “Isso é importante, porque mesmo com os batimentos cardíacos, o tórax sofre pequenas tensões continuamente. Portanto, precisamos garantir que esse gel seja durável para esse tipo de atividade diária.”

Zhao afirma que o novo estudo oferece uma abordagem inovadora para que outros fabriquem hidrogéis respiráveis e multifuncionais, utilizando o conceito de separação de fases viscoelásticas como guia. 

“Descobrimos que esse processo pode criar esses hidrogéis permeáveis ao ar e demonstramos uma aplicação”, diz ele. “Mas acreditamos que as aplicações podem ser muito amplas. Esta é uma plataforma tecnológica.”

Este trabalho foi realizado em parte com o uso das instalações do MIT.nano. Este trabalho foi financiado em parte pela Bolsa de Estudos Hatsopoulos do MIT, pela Cátedra Uncas e Helen Whitaker, por uma bolsa inicial do programa HEALS, pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH), pela Fundação Nacional de Ciência (NSF) e pelos Programas de Pesquisa Médica Dirigidos pelo Congresso do Departamento de Defesa.