Diseño y caracterización fisicoquímica de hidrogeles y aerogeles compuestos de goma gelana y gel de Aloe vera (Aloe barbadensis)

Abstract

Los hidrogeles y aerogeles son materiales tridimensionales con alta capacidad de absorción de agua y propiedades mecánicas únicas, lo que los hace ideales para aplicaciones en las industrias alimentaria y biomédica. Actualmente, la necesidad de desarrollar materiales sostenibles y funcionales ha impulsado el estudio de biopolímeros naturales como la goma gelana de bajo acilo (LAGG) y el gel de Aloe vera (Aloe Barbadensis) (AVG). Sin embargo, se desconocen las condiciones óptimas para maximizar sus propiedades funcionales en aplicaciones específicas. El objetivo de este estudio fue diseñar y caracterizar hidrogeles y aerogeles compuestos de LAGG y AVG mediante la variación de pH (1, 4, 7), contenido de sólidos (0.25, 0.50, 0.75 w/v) y proporción de polímeros (66/33, 50/50, 33/66 LAGG/AVG). Los hidrogeles fueron preparados por entrecruzamiento físico, seguido de liofilización para obtener aerogeles. Se evaluaron parámetros como potencial zeta (), capacidad de retención de agua (𝑊����𝐻����𝐶����), dureza, propiedades reológicas, densidad aparente y porosidad. Los hidrogeles mostraron valores de  de -23.3 ± 1.5 a 6.3 ± 0.2 mV, 𝑊����𝐻����𝐶���� entre 4.6 ± 0.22% y 98.9 ± 0.16%, y dureza en el rango de 0.4 ± 0.15 N a 14.3 ± 0.81 N. En términos reológicos, el módulo de almacenamiento (𝐺����′) variaron de 16,100 a 89,700 Pa, mientras que las temperaturas de transición de fase oscilaron entre 22 °C y 46 °C. Por otro lado, los aerogeles presentaron contracciones volumétricas entre 30.8 y 88.5%, densidades que fluctuaron entre 0.025 y 0.076 g/cm³ y porosidades superiores al 75%. Además, los análisis de textura revelaron durezas de 0.5 ± 0.2 a 4.1 ± 0.6 N, confirmando su alta resistencia mecánica. La capacidad de los aerogeles como emisores de antimicrobianos fue validada mediante pruebas con eugenol, demostrando un perfil de liberación sostenida durante más de 2 horas. En conclusión, los hidrogeles y aerogeles desarrollados poseen características ideales para aplicaciones industriales, como empaques alimentarios y sistemas de liberación controlada. Este estudio demuestra el potencial de los biopolímeros para el diseño de materiales sostenibles y funcionales, promoviendo su uso en la industria y contribuyendo a la transición hacia una economía circular.

Hydrogels and aerogels are three-dimensional materials with high water absorption capacities and unique mechanical properties, making them ideal for applications in the food and biomedical industries. The need to develop sustainable and functional materials has driven the study of natural biopolymers such as low acyl gellan gum (LAGG) and Aloe vera (Aloe Barbadensis) gel (AVG). However, the optimal conditions to maximize their functional properties in specific applications have yet to be discovered. This study aimed to design and characterized hydrogels and aerogels composed of LAGG and AVG by manipulating of pH (1, 4, 7), solid content (0.25, 0.50, 0.75 w/v), and the polymer ratio (66/33, 50/50, 33/66 LAGG/AVG). The hydrogels were prepared by physical cross-linking and freeze-drying to obtain aerogels. Parameters such as the zeta potential (), water holding capacity (𝑊���𝐻���𝐶���), hardness, rheological properties, bulk density, and porosity were evaluated. The hydrogels presented  values from -23.3 ± 1.5 to 6.3 ± 0.2 mV, 𝑊���𝐻���𝐶��� values between 4.6 ± 0.22% and 98.9 ± 0.16%, and hardness values in the range of 0.4 ± 0.15 N to 14.3 ± 0.81 N. In rheological terms, the storage moduli (𝐺���′) varied from 16,100 to 89,700 Pa, whereas the phase transition temperatures ranged from 22 °C to 46 °C. On the other hand, the aerogels presented volumetric contractions between 30.8 and 88.5%, densities that fluctuated between 0.025 and 0.076 g/cm³ and porosities greater than 75%. In addition, texture analyses revealed hardnesses from 0.5 ± 0.2 to 4.1 ± 0.6 N, confirming their high mechanical strength. The capacity of the aerogels as antimicrobial emitters was validated by tests with eugenol, which demonstrated a sustained release profile for more than 2 hours. In conclusion, the developed hydrogels and aerogels have ideal characteristics for industrial applications, such as food packaging and controlled release systems. This study demonstrates the potential of biopolymers for the design of sustainable and functional materials, promoting their use in industry and contributing to the transition toward a circular economy.