Los investigadores del Instituto IMDEA Materiales disponen ahora de una nueva y potente herramienta para caracterizar, diseñar y crear nuevos materiales con una amplia gama de aplicaciones, incluidos los dispositivos biomédicos de nueva generación.

IMDEA Materiales se ha convertido recientemente en el tercer instituto de investigación científica de España, y el único de la Comunidad de Madrid, en disponer de un difractómetro avanzado de SAXS/WAXS con características que se asemejan a una beamline de sincrotrón.

El avanzado equipo, fabricado a medida en Austria para los requisitos específicos de IMDEA Materiales, se adquirió a través del papel del Instituto en el proyecto MAMAP-CM de la Comunidad de Madrid.

MAMAP, o Materiales y Modelos contra Pandemias, se puso en marcha en 2021 para aprovechar la experiencia del Instituto IMDEA Materiales en el diseño y desarrollo de materiales, fabricación de dispositivos, y modelización y simulación, para proteger, combatir y prever pandemias.

Un elemento clave del proyecto ha sido el desarrollo de una nueva generación de materiales y dispositivos biomédicos, principalmente a través de los grupos de investigación Biomateriales y Medicina Regenerativa y Bio/Chemo/Mecánica de Materiales del Instituto, dirigidos por la Dra. Jennifer Patterson y el Prof. Javier LLorca.

La adquisición de la tecnología de la línea de luz SAXS/WAXS permitirá a los investigadores de IMDEA Materiales avanzar en este trabajo a la vez que contribuyen a muchas de las otras áreas de investigación del Instituto.

Una de las capacidades de SAXS/WAXS que lo hace tan atractivo es que permite realizar mediciones in situ en tiempo real. Esto ofrece mayores oportunidades para realizar una mayor variedad de ensayos y caracterizaciones de materiales, como el termoanálisis.

«Este tipo de capacidades significa que los investigadores pueden estudiar cómo factores variables como el calor y la tensión de tracción afectan a la estructura interna de los materiales durante un periodo prolongado», explica el Dr. Juan Pedro Fernández.

«Esta capacidad es especialmente relevante en el campo de los biomateriales, ya que los investigadores necesitan poder simular las condiciones del mundo real a las que se enfrentarán estos materiales y comprender cómo evolucionarán sus propiedades durante su uso».

«Cómo reaccionarán los materiales a los cambios de temperatura, o al entrar en contacto con fluidos orgánicos con pH diferente, a tensiones constantes, etc. Este conocimiento es esencial para poder diseñar y mejorar dispositivos biomédicos».

La tecnología SAXS/WAXS del instituto también tiene aplicaciones en otros muchos campos, desde el ensayo de baterías hasta la creación de retardantes de llama con morfología para su uso en compuestos poliméricos.

La máquina permite a los investigadores estudiar las propiedades internas de los materiales hasta el nivel atómico, así como realizar mediciones in situ de las muestras en tiempo real.

SAXS (Small-Angle X-ray Scattering) y WAXS (Wide-Angle X-ray Scattering) son técnicas de caracterización complementarias, con las cuales, los investigadores pueden observar el interior de los materiales hasta su nivel más básico. 

Para ello se utiliza un haz de rayos X focalizado que se dirige a una muestra del material que los investigadores desean estudiar.

En el caso de WAXS, los investigadores entonces pueden medir las distancias entre átomos individuales. Estos cálculos se realizan en angstroms, una unidad de medida equivalente a 0,0000000001 de un metro.

«Cuando el haz de rayos X entra en contacto con la muestra, los rayos X pueden ser difractados si su longitud de onda es similar a la distancia interatómica en el cristal,» explica el Dr. Juan Pedro Fernández, investigador postdoctoral senior de IMDEA Materiales. «Esta difracción resulta en un patrón WAXS.”

«Por otro lado, estructuras nanométricas en sólidos, líquidos o partículas dispersadas en gases pueden dispersar un haz de rayos X dependiendo de la densidad electrónica, dando un patrón SAXS.»

«El equipo capta estos patrones. Analizándolos, podemos discernir información relativa a la naturaleza interior del material que estamos estudiando de forma no destructiva.»

Donde SAXS/WAXS entra en juego es en ofrecer a los investigadores la capacidad de estudiar esta dispersión tanto en ángulos muy pequeños, normalmente de 0,1 a 1°, como en ángulos mucho más amplios, superiores a 2°.

La posibilidad de analizar la dispersión en distintos ángulos permite obtener una mayor variedad de información. Mientras que SAXS se utiliza normalmente para analizar nanoestructuras a mayor escala, WAXS puede observar detalles a nivel atómico (estructuras cristalinas) que no pueden medirse utilizando únicamente la dispersión de ángulo corto.

«Este tipo de capacidad nos permite comprender mucho mejor la estructura de los materiales con los que tratamos», afirma el Dr. Fernández. «Si no puedes entender un material y su comportamiento, no hay manera de que puedas trabajar para mejorar sus propiedades, que es la base de lo que estamos tratando de hacer aquí en IMDEA Materiales».

La nueva tecnología también ofrece un tiempo de adquisición mucho más rápido que otras tecnologías de difracción de rayos X. Mientras que en difractómetros convencionales requieren hasta 20-25 minutos para lograr un buen análisis WAXS, este equipo puede llegar a resultados similares en sólo segundos.

Otra capacidad de SAXS/WAXS que lo hace tan atractivo es que permite realizar mediciones in situ en tiempo real. Esto significa que los investigadores pueden estudiar cómo factores variables como la temperatura y la tensión en un ensayo de tracción afectan a la estructura interna de los materiales durante un periodo prolongado.

«Esta investigación es financiada mediante el proyecto «MAMAP-CM – Materials and models against pandemics” (Recursos REACT-UE del Programa Operativo de Madrid 2014-2020, en la línea de actuación de proyectos de I+D+i en materia de respuesta a COVID 19). Proyecto financiado por la Comunidad de Madrid y por el FEDER «Una manera de hacer Europa». Financiado como parte de la respuesta de la Unión a la pandemia de COVID-19, mediante el convenio suscrito entre la Comunidad de Madrid y la Fundación IMDEA Materiales para la realización de actuaciones en materia de investigación sobre el SARS-COV 2 y la enfermedad COVID-19 financiado con los recursos REACT-UE del FEDER.«