Nota de aplicación | ElastoSens™ Bio
Polímeros PDMS: propiedades, aplicaciones y comportamiento mecánico
por Maya Salame y Dimitria Camasao
Científicos de aplicaciones
¿Qué es el PDMS?
El polidimetilsiloxano (PDMS) es un polímero polisiloxánico sintético compuesto por una cadena principal flexible de siloxano inorgánico (–Si–O–Si–) con grupos laterales metilo. Esta arquitectura inorgánico-orgánica única le da al PDMS una movilidad de cadena excepcional, una temperatura de transición vítrea muy baja y un comportamiento elastomérico estable en un amplio rango de temperaturas. El PDMS se produce exclusivamente mediante síntesis industrial, que suele implicar la hidrólisis y la condensación de clorosilanos, seguidas de la polimerización por apertura de anillo de siloxanos cíclicos.
El PDMS es, por naturaleza, hidrófobo y no absorbe ni se hincha en el agua. Por eso, El PDMS en sí mismo no es un hidrogel, sino más bien un elastómero de silicona. Sin embargo, el PDMS se suele incorporar en sistemas poliméricos híbridos, como las redes poliméricas interpenetrantes o los hidrogeles de silicona, en los que una fase polimérica hidrófila permite la absorción de agua, mientras que el PDMS aporta elasticidad, permeabilidad y estabilidad mecánica a largo plazo.
Propiedades clave de los polímeros de PDMS
Características fisicoquímicas
El comportamiento fisicoquímico del PDMS se debe a la flexibilidad y al carácter parcialmente iónico del enlace siloxánico.
- Mecanismos de polimerización: Las cadenas de PDMS se forman mediante la polimerización por apertura de anillo de siloxanos cíclicos.
- Estrategias de reticulación:
- Curado por condensación mediante reacciones de silanol.
- Curado por adición mediante hidrosililación entre siloxanos con grupos vinílicos e hidruros.
- Reticulación radicalaria o fotoiniciada, incluidas las reacciones tiol-eno.
- Curado por condensación mediante reacciones de silanol.
- Formación de materiales híbridos: El PDMS se puede combinar con polímeros hidrofílicos para formar hidrogeles de silicona o redes poliméricas interpenetrantes capaces de absorber agua.
La densidad de reticulación, la elección del catalizador y la arquitectura de la red influyen mucho en la elasticidad, la permeabilidad y el comportamiento viscoelástico.
Propiedades mecánicas
Los polímeros PDMS presentan unas propiedades mecánicas blandas, similares a las del caucho, en las que predominan las respuestas elásticas y viscoelásticas.
- Elasticidad: La estructura flexible de siloxano permite grandes deformaciones reversibles con una histéresis mínima.
- Rigidez ajustable: Las propiedades mecánicas se pueden ajustar en un amplio rango modificando la densidad de reticulación, el peso molecular entre los enlaces de reticulación o incorporando redes poliméricas secundarias.
- Comportamiento viscoelástico: El PDMS presenta relajación de la tensión dependiente del tiempo y disipación de energía bajo cargas cíclicas o continuas.
- Estabilidad a largo plazo: la estructura principal de siloxano, que no se degrada, ofrece una excelente durabilidad mecánica en comparación con muchos sistemas de hidrogel.
Interacciones biológicas
El PDMS se considera generalmente biocompatible y bioinerte.
- Adhesión celular: El PDMS nativo es hidrofóbico y se resiste a la adsorción de proteínas y a la adhesión celular; para favorecer interacciones celulares controladas, se suele recurrir a la modificación de la superficie o a la hibridación con polímeros hidrofílicos.
- Inmunogenicidad: El PDMS suele provocar una respuesta inflamatoria mínima en aplicaciones biomédicas.
- Degradación: El PDMS no es degradable enzimáticamente, lo que permite su uso a largo plazo, pero limita las aplicaciones que requieren la renovación de la matriz.
Aplicaciones de los polímeros PDMS
Ingeniería de tejidos
El PDMS se usa mucho como sustrato elástico, componente de andamios y material estructural en ingeniería de tejidos. Su rigidez ajustable, su transparencia óptica y su compatibilidad con técnicas de micro y nanofabricación permiten controlar con precisión las señales mecánicas y la topografía de la superficie. En muchos sistemas, el PDMS sirve como soporte mecánicamente estable para los hidrogeles, que proporcionan un entorno que interactúa con las células.
Cultivos celulares en 3D y modelos de enfermedades
El PDMS es un material fundamental para dispositivos microfluídicos y plataformas de órganos en un chip. Aunque el PDMS en sí mismo no es un hidrogel, se suele combinar con compartimentos de hidrogel para crear sistemas de cultivo en 3D en los que se pueden controlar con precisión el transporte de nutrientes, el confinamiento mecánico y los gradientes bioquímicos.
Administración de fármacos, genes y células
PDMS participa en sistemas de hidrogel de silicona y redes poliméricas interpenetrantes Se usan para aplicaciones de administración controlada de fármacos. En estos materiales híbridos, las fases poliméricas hidrofílicas permiten la carga y la liberación del fármaco, mientras que el PDMS aporta elasticidad, permeabilidad a los gases y resistencia mecánica.
¿Por qué es importante la viscoelasticidad de los polímeros a base de PDMS?
Aunque a menudo se describe como puramente elástico, el PDMS presenta un comportamiento viscoelástico que afecta directamente a su rendimiento funcional. La relajación de tensiones y la amortiguación, que dependen del tiempo, influyen en cómo se transmiten y disipan las fuerzas bajo cargas sostenidas o cíclicas. En aplicaciones biomédicas y de mecanobiología, estas propiedades viscoelásticas afectan a la mecanosensibilidad celular, a la estabilidad mecánica a largo plazo y a la resistencia a la fatiga. En los sistemas de hidrogel que contienen PDMS, la respuesta viscoelástica de la fase de PDMS juega un papel clave a la hora de definir el entorno mecánico compuesto al que se ven sometidas las células.
Métodos para caracterizar la viscoelasticidad de los polímeros a base de PDMS
Las propiedades mecánicas y viscoelásticas del PDMS suelen caracterizarse mediante ensayos de tracción, ensayos de compresión, reometría y análisis mecánico dinámico. Estas técnicas permiten medir el módulo elástico, los módulos de almacenamiento y de pérdida, y el comportamiento de amortiguación. Sin embargo, los métodos convencionales suelen requerir contacto directo, grandes deformaciones o ensayos destructivos, lo que limita su capacidad para seguir la cinética de gelificación en sistemas híbridos o para monitorizar la evolución mecánica a lo largo del tiempo en la misma muestra.
Caso práctico: Caracterización mecánica de sistemas de polímeros blandos basados en PDMS con ElastoSens™ Bio
ElastoSens™ Bio: una herramienta no destructiva para medir materiales blandos a base de PDMS
El ElastoSens™ Bio es un Instrumento sin contacto, basado en la resonancia, diseñado para caracterizar las propiedades viscoelásticas de materiales blandos. Al monitorizar los cambios en la respuesta vibratoria, permite medir con precisión las propiedades mecánicas sin deformar físicamente la muestra. Este método resulta especialmente adecuado para polímeros blandos a base de PDMS y sistemas de hidrogel que contienen PDMS.
Entre sus principales ventajas destacan los ensayos no destructivos, la monitorización en tiempo real, la alta sensibilidad y repetibilidad, y la compatibilidad con flujos de trabajo estériles o con células. El sistema permite el seguimiento continuo de la evolución mecánica, la identificación de transiciones de estado líquido a sólido en sistemas híbridos y el análisis longitudinal de la misma muestra a lo largo del tiempo.
Para demostrar las capacidades del ElastoSens™ Bio, hemos realizado una serie de pruebas en sistemas de polímeros blandos basados en PDMS. En la siguiente sección se describen los materiales y métodos utilizados, seguidos de los resultados, lo que ofrece un ejemplo práctico de la capacidad del instrumento para monitorizar de forma no destructiva las propiedades viscoelásticas a lo largo del tiempo.
Materiales y métodos
El polidimetilsiloxano (PDMS) se preparó utilizando Sylgard 527, que consta de una base de PDMS con terminaciones de vinilo (Parte A) y un agente de curado que contiene hidrosilano con un catalizador de platino (Parte B). Se mezclaron los dos componentes en una proporción de 1:1 en peso. No se realizó ninguna etapa de desgasificación antes de las pruebas.
Justo después de mezclarlo, el PDMS sin curar se introdujo directamente en el soporte para muestras grandes (2,0 ml de volumen total). Para evitar que se secara la superficie y se evaporara durante los ensayos a largo plazo, se cubrió la superficie de la muestra con un líquido antievaporación.
Se hizo un seguimiento de la cinética de curado y la evolución de la rigidez global durante un periodo de 24 horas a 70 °C con el ElastoSens Bio. Las mediciones se tomaron cada 20 segundos, lo que permitió registrar tanto el comportamiento del curado en las primeras fases como la aproximación a la rigidez final en meseta. En la figura 1 se muestra la configuración experimental.
A
B
Figura 1. PDMS en proporción 1:1: (A) tras colocarlo en el soporte macro y (B) tras 24 horas de ensayo y una vez retirado del soporte.
Resultados y discusión
En la figura 2 se muestra la respuesta viscoelástica en función del tiempo de las muestras de PDMS Sylgard 527 en proporción 1:1. A lo largo del periodo de curado de 24 h, tanto el módulo de almacenamiento al cizallamiento (G′) como el módulo de pérdida al cizallamiento (G″) aumentaron, lo que concuerda con la reticulación progresiva y la formación de la red. Al final del experimento, G′ alcanzó los 7048 ± 43 Pa, mientras que G″ se estabilizó en 2420 ± 167 Pa. El valor final más alto de G′ en comparación con G″ indica que la respuesta del material curado fue predominantemente elástica, es decir, el almacenamiento de energía en la red reticulada predominó sobre la disipación viscosa de energía.
El factor de amortiguamiento (tan δ = G″/G′) alcanzó su valor máximo, de media, a los 9,54 min. Este pico se corresponde con el punto de transición, que marca el cambio de una respuesta principalmente de tipo líquido (dominada por la viscosidad) a una red elástica de tipo sólido que sigue endureciéndose a medida que avanza el curado.
Figura 2. Perfil de curado en función del tiempo del PDMS en proporción 1:1 a lo largo de 24 horas. Curvas representativas de G’ (azul), G’’ (naranja) y tanδ (gris) que muestran la evolución de las propiedades viscoelásticas a 70 °C (n = 3).
Conclusiones y perspectivas
El comportamiento mecánico de los sistemas de polímeros blandos a base de PDMS—que viene determinada por su viscoelasticidad, densidad de reticulación y respuesta en función del tiempo— es clave para su rendimiento en microfluídica, mecanobiología y plataformas híbridas de hidrogel. Como los materiales de PDMS son blandos, elásticos y suelen usarse en contacto con sistemas biológicos, hay que caracterizar sus propiedades mecánicas sin alterar su estructura ni su esterilidad.
- Tecnología no destructiva Tecnología optimizada para polímeros blandos y elastómeros.
- Alta sensibilidad y repetibilidad para obtener mediciones fiables de la rigidez.
- Capacidad para supervisar la cinética de curado y gelificación, incluida la transición líquido-sólido.
- Medición directa de la rigidez final tras la formación de la red.
- Pruebas longitudinales de la misma muestra a lo largo del tiempo, en condiciones estériles si es necesario.
- Módulo integrado módulo de fotoestimulación que permite la monitorización en tiempo real de la fotoreticulación, cuando sea necesario.
En conjunto, ElastoSens™ Bio ayuda a comprender mejor las relaciones entre la estructura y las propiedades del PDMS y mejora la reproducibilidad tanto en el ámbito de la investigación como en el de las aplicaciones prácticas.
Referencias
González Calderón, J. A., Contreras López, D., Pérez, E., & Vallejo Montesinos, J. (2020). Polysiloxanes as polymer matrices in biomedical engineering: Their interesting properties as the reason for the use in medical sciences. Polymer Bulletin, 77(5), 2749-2817.
Shakeri, A., Khan, S., & Didar, T. F. (2021). Conventional and emerging strategies for the fabrication and functionalization of PDMS-based microfluidic devices. Lab on a Chip, 21(16), 3053-3075.
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