Enhancing magnetorheology with unsteady triaxial magnetic fields

Resumen

Los fluidos magnetoreológicos (MR) se han utilizado durante mucho tiempo para aplicaciones industriales que requieren un cambio rápido y reversible en las propiedades del fluido, como por ejemplo un aumento de la viscosidad en presencia de un campo magnético aplicado. Partículas magnéticas de tamaño micrométrico dispersadas en un líquido no magnético estructuran a través de interacciones dipolares en línea con la dirección del campo, tradicionalmente un campo DC uniaxial. Para intensidades de campo suficientemente grandes, la estructuración de partículas conlleva a la formación de cadenas o estructuras columnares más gruesas que restringen el movimiento provocando la aparición de un esfuerzo umbral y dotando al fluido de un carácter viscoelástico. Los amortiguadores y los sistemas de frenado son algunas de las aplicaciones industriales que aprovechan la adaptabilidad única de estos materiales inteligentes. Usando un generador de campo magnético triaxial construido en nuestro laboratorio, hemos llevado a cabo un estudio detallado de la respuesta reológica bajo campos magnéticos de precesión, la formación de mesoestructuras de partículas bajo estos campos y otras configuraciones de campo no estacionarios. Para campos que varían en el tiempo, el balance entre las fuerzas hidrodinámicas y magnéticas juega un papel clave en la dinámica de agregación en una suspensión magnética. Un parámetro adimensional, conocido como número de Mason (Mn), relaciona estas dos magnitudes. El dispositivo triaxial fue diseñado y construido con la intención de realizar experimentos tanto de videomicroscopía como de reometría. La mejora de las propiedades reológicas se cuantificó a través de un análisis del módulo de almacenamiento. Columnas, espirales y estructuras en capas son algunas de las estructuras de partículas 3D que podemos formar usando el generador de campo triaxial gracias a interacciones magnetostáticas dipolares y otras promediadas en el tiempo a alto Mn. Se proponen dos mecanismos de agregación principales para explicar la mejora reológica: la coalescencia lateral entre las estructuras columnares vecinas y la compactación de los agregados. El primero de los dos mecanismos se demuestra con simulaciones a nivel de partícula y un estudio del tamaño de agregados de partículas simuladas bajo campos de precesión de ángulo pequeño. Inspirándonos en la dinámica emergente observada en nuestro trabajo experimental, hemos integrado el autoensamblaje de partículas en un hidrogel compuesto de polisacáridos y proteínas modificadas. El crecimiento celular direccional o guiado requiere de una matriz sólida 3D a la que se puedan adherir las células. Aunque este método es efectivo, proponemos aquí un camino novedoso para la ingeniería de tejidos mediante el uso de campos magnéticos uniaxiales no estacionarios y estructuras complejas observadas en los experimentos con fluidos MR. Primero se estructura una red 3D anisotrópica de partículas bajo una configuración de campo magnético preprogramada en estado líquido (pregel). La estructura en base a partículas y las células suspendidas se encapsulan a medida que el fluido portador polimeriza a través de una reacción de Schiff. Técnicas de microscopía confocal muestran células incorporadas dentro de la red de partículas, y el análisis de varios días de los hidrogeles sugiere que la estructura de las partículas permanece intacta, lo que permite una matriz duradera para el crecimiento celular. Esperamos que este estudio establezca una base para alternativas inyectables menos invasivas en regeneración tisular.