Los científicos utilizan las capacidades adhesivas del mejillón como maniquí para optimizar las propiedades mecánicas de los hidrogeles

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Los hidrogeles están en todas partes. Son polímeros amantes del agua que pueden absorber y retener agua y se pueden encontrar en productos de consumo cotidianos como lentes de contacto blandas, pañales desechables, ciertos alimentos e incluso en aplicaciones agrícolas. También son extremadamente útiles en diversas aplicaciones médicas debido a su alto grado de biocompatibilidad y su capacidad para degradarse y reabsorberse en el organismo.

Estas cualidades permiten que los hidrogeles simulen el tejido vivo para el reemplazo o la regeneración de tejido. Una de las más útiles de estas aplicaciones es la cicatrización de heridas. Los hidrogeles son ideales para este propósito, con su capacidad para hidratar y formar un ambiente húmedo y de apoyo. Esto facilita procesos beneficiosos para la cicatrización de heridas, como la formación de vasos sanguíneos, la rotura de tejido muerto, la activación de células inmunes, la prevención de la muerte de células y tejidos vivos e incluso el alivio del dolor.

Los hidrogeles naturales, especialmente los hidrogeles de metacriloil gelatina (GelMA), se prefieren para la cicatrización de heridas debido a su bioseguridad y biocompatibilidad excepcional. Pero su uso se ve obstaculizado por sus propiedades mecánicas inherentemente pobres, como elasticidad limitada, relativa fragilidad y rigidez, y su incapacidad para adherirse a las superficies de los tejidos. Para mejorar estas características, se intentaron variaciones en los métodos y componentes de preparación.

Cuando se prepara un hidrogel GelMA, se prepara una solución de gelatina mezclando y disolviendo la gelatina en agua. Esto da como resultado una dispersión de cadenas poliméricas gelatinosas en el agua. Luego se agrega a la solución un químico llamado fotoiniciador, lo que hace que las cadenas de polímero sean pegajosas y les permite adherirse entre sí. La exposición a la luz ultravioleta activa los fotoiniciadores y las cadenas de polímero se entrecruzan entre sí para formar una red. Las moléculas de agua entran en esta red, estiran las cadenas y se encierran dentro de ellas; esto ilustra los poderes absorbentes de los hidrogeles y es donde ocurre la gelificación o solidificación.

Las propiedades de este gel se pueden cambiar agregando productos químicos que se unen a las cadenas de polímero antes de la exposición a los rayos UV, o se pueden variar los parámetros de los rayos UV para ajustar las propiedades del gel. Algunas de estas modificaciones se han experimentado en intentos anteriores para mejorar las propiedades físicas de GelMA.

Un enfoque fue introducir productos químicos adicionales en la solución de GelMA antes de la reticulación; el hidrogel conjugado químicamente resultante mostró una ligera mejora en la adhesión al tejido. Se han realizado otros intentos para fortalecer GelMA reforzando películas de GelMA conjugadas químicamente, delgadas y flexibles con productos químicos adicionales. Pero los desafíos permanecen con la mejora simultánea de las tres propiedades mecánicas de tenacidad, elasticidad y fuerza adhesiva en los hidrogeles GelMA.

Un equipo colaborativo del Instituto Terasaki de Innovación Biomédica (TIBI) ha desarrollado métodos para mejorar estas tres propiedades en los hidrogeles GelMA con un procedimiento simple con parámetros de fabricación ajustables.

Los investigadores primero recurrieron a un ejemplo que se encuentra en la naturaleza en su enfoque para mejorar la adhesión en hidrogeles. Los mejillones de mar secretan hilos fuertes que se utilizan como accesorios y cuerdas de tracción en rocas y otras superficies irregulares. Para formar estos hilos, los mejillones producen proteínas de adhesión en un ambiente ácido; después de la exposición al agua del océano ligeramente alcalina, las proteínas sufren un cambio químico que estimula la formación del hilo.

En consecuencia, el equipo de TIBI agregó grandes cantidades de dopamina, un análogo químico de la proteína de adhesión de los mejillones, a GelMA para aumentar su fuerza, elasticidad y propiedades adhesivas. También sometieron la mezcla a condiciones alcalinas para aumentar aún más la fuerza adhesiva del GelMA.

Los resultados mostraron que agregar grandes cantidades de dopamina a la solución de GelMA podría aumentar la elasticidad del hidrogel resultante en casi seis veces y su resistencia en más de tres veces. Otros experimentos demostraron que cuando la dopamina se somete a condiciones alcalinas antes de la etapa de reticulación, la fuerza adhesiva podría incrementarse hasta cuatro veces y su resistencia al cizallamiento casi siete veces.

«Los experimentos que llevamos a cabo proporcionan información valiosa sobre los procedimientos para activar la dureza y la adhesión en hidrogeles basados ​​en GelMA», dijo Hossein Montazarian, Ph.D., primer autor del proyecto.

Los investigadores continuarán experimentando con otros productos químicos para optimizar sus efectos sobre las propiedades mecánicas de GelMA. Esto puede conducir a mejoras en aplicaciones adicionales como dispositivos portátiles que se pueden unir a la piel o implantes regenerativos y de cicatrización interna.

«El conocimiento adquirido aquí sobre las propiedades mecánicas fundamentales de los hidrogeles puede tener efectos de gran alcance en las aplicaciones biomédicas», dijo Ali Khademhosseini, Ph.D., Director y CEO de TIBI. «Es uno de los muchos ejemplos de investigación de impacto de nuestra plataforma de biomateriales».

Este trabajo fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (1R01EB023052-01A1, 1R01HL140618-01).

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