El material cobarde exhibe propiedades de oscilación autónoma, similares a los latidos del corazón

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Los investigadores de Northwestern Engineering han desarrollado un modelo teórico para diseñar materiales blandos que demuestran propiedades oscilantes autónomas que imitan funciones biológicas. El trabajo podría avanzar en el diseño de materiales reactivos utilizados para administrar terapias y materiales blandos similares a robots que funcionan de forma autónoma.

El diseño y la síntesis de materiales con funciones biológicas requieren un delicado equilibrio entre la forma estructural y la función fisiológica. Durante el desarrollo embrionario, por ejemplo, las láminas planas de células embrionarias se transforman a través de una serie de pliegues en complejas estructuras tridimensionales como ramas, tubos y surcos. Estos, a su vez, se convierten en bloques de construcción tridimensionales dinámicos para los órganos que realizan funciones vitales como los latidos del corazón, la absorción de nutrientes o el procesamiento de información por parte del sistema nervioso.

Sin embargo, tales procesos de formación de formas están controlados por eventos de señalización química y mecánica, que no se comprenden completamente a nivel microscópico. Para llenar este vacío, los investigadores dirigidos por Mónica Olvera de la Cruz diseñaron sistemas computacionales y experimentales que imitan estas interacciones biológicas. Los hidrogeles, una clase de materiales poliméricos hidrófilos, han surgido como candidatos capaces de reproducir cambios de forma en la estimulación química y mecánica que se observa en la naturaleza.

Los investigadores desarrollaron un modelo teórico para una capa a base de hidrogel que experimentó cambios morfológicos autónomos cuando fue inducida por reacciones químicas.

«Descubrimos que los químicos cambiaron el microambiente del gel local, permitiendo que los materiales se hincharan y deshidrataran por sí mismos por el estrés químico-mecánico», dijo de la Cruz, abogado Taylor, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick. «Esto generó un cambio morfológico dinámico, incluidas oscilaciones periódicas que se asemejan a los latidos del corazón que se encuentran en los sistemas vivos».

Un artículo, titulado «Formación de modelos controlados químicamente en conchas elásticas auto-oscilantes», fue publicado el 1 de marzo en la revista PNAS. Siyu Li y Daniel Matoz-Fernandez, becarios postdoctorales del laboratorio Olvera de la Cruz, fueron los primeros autores del trabajo.

En el estudio, los investigadores diseñaron un caparazón de polímero reactivo químico destinado a imitar la materia viva. Aplicaron las propiedades mecánicas a base de agua de la capa de hidrogel a una especie química, una sustancia química que produce un comportamiento modelado específico, en este caso, oscilaciones en forma de onda, ubicado dentro de la capa. Después de realizar una serie de reacciones de reducción-oxidación, una reacción química que transfiere electrones entre dos especies químicas, la capa generó microcompartimentos capaces de expandirse o contraerse, o inducir un comportamiento de inestabilidad-momento cuando la inestabilidad mecánica.

«Acoplamos la respuesta mecánica del hidrogel a los cambios en la concentración de especies químicas dentro del gel como un circuito de retroalimentación», dijo Matoz-Fernández. «Si el nivel de químicos excede un cierto umbral, el agua se absorbe, hinchando el gel. Cuando el gel se hincha, la especie química se diluye, desencadenando procesos químicos que expulsan el agua del gel, contrayendo así el gel».

El modelo de los investigadores podría utilizarse como base para desarrollar otros materiales blandos que demuestren cambios morfológicos diversos y dinámicos. Esto podría conducir a nuevas estrategias de administración de medicamentos con materiales que aumenten la tasa de difusión de sustancias químicas compartimentadas o liberen cargas a tasas específicas.

«Uno podría, en principio, diseñar microcompartimentos catalíticos que se expandan y contraigan para absorber o liberar componentes a una frecuencia específica. Esto podría conducir a terapias más específicas y basadas en el tiempo para tratar la enfermedad», dijo Li.

El trabajo también podría informar el desarrollo futuro de materiales blandos con funcionalidad similar a un robot que operan de forma autónoma. Estas «robótica blanda» han surgido como candidatas para apoyar la fabricación de productos químicos, herramientas para tecnologías medioambientales o biomateriales inteligentes para la medicina. Sin embargo, los materiales dependen de estímulos externos, como la luz, para funcionar.

«Nuestro material funciona por sí solo, por lo que no hay ningún control externo involucrado», dijo Li. «Al» golpear «el caparazón con una reacción química, se activa el movimiento».

Los investigadores tienen la intención de aprovechar sus hallazgos y cerrar aún más la brecha entre lo que es posible en la naturaleza y el laboratorio de ciencias.

«El objetivo a largo plazo es crear hidrogeles autónomos capaces de realizar funciones complejas desencadenadas por señales simples como la deformación mecánica local», dijo Olvera de la Cruz.

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