Imita muchas de las propiedades únicas de los tejidos biológicos
Investigadores de la Universidad de Hokkaido en Japón han combinado tejidos naturales de calamar con polímeros sintéticos para desarrollar un hidrogel fuerte y versátil que imita muchas de las propiedades únicas de los tejidos biológicos.
Los hidrogeles son redes de polímeros que contienen grandes cantidades de agua y se están explorando para muchos usos, incluidas prótesis médicas, componentes robóticos blandos y nuevos sistemas de sensores.
Los tejidos biológicos naturales exhiben propiedades únicas esenciales para sus funciones, que los investigadores buscan replicar en hidrogeles. Los músculos, por ejemplo, además de fuerza y flexibilidad, tienen propiedades físicas que varían en diferentes direcciones y se construyen a partir de una jerarquía de estructuras que trabajan juntas. Los huesos y los vasos sanguíneos también muestran estas características, conocidas como anisotropía jerárquica.
A diferencia de los tejidos naturales que los investigadores desean imitar, la mayoría de los hidrogeles sintéticos tienen propiedades uniformes en todas las direcciones y son estructuralmente débiles.
"Combinando las propiedades de los tejidos derivados del calamar con polímeros sintéticos, hemos demostrado una estrategia híbrida que sirve como método general para preparar hidrogeles con una anisotropía jerárquica útil y también dureza", dice el científico de polímeros Tasuku Nakajima del equipo de la Universidad de Hokkaido.
Imagen: El manto del calamar se corta en delgados rectángulos (izquierda) y se sumerge en una solución de poliacrilamida (AAm), que entra en el manto (centro). El calentamiento a 56°C durante 12 horas dio como resultado el gel DN sintético de calamar (derecha). Crédito: Shou Ohmura, et al. Materiales de NPG Asia. 20 de enero de 2023
El proceso de fabricación comienza con el manto de calamar congelado disponible comercialmente, la parte exterior principal de un calamar. En los calamares vivos, el manto se expande para llevar agua al cuerpo y luego se contrae fuertemente para expulsar agua como un chorro. Esta capacidad depende de los músculos anisotrópicos dentro del tejido conectivo del calamar. Los investigadores aprovecharon los arreglos moleculares dentro de este sistema natural para construir su gel bio-imitador.
El tratamiento químico y térmico de finas rodajas de tejido de calamar descongelado mezclado con moléculas de polímero de poliacrilamida inició la formación del hidrogel híbrido reticulado. Tiene lo que se conoce como una estructura de red doble, con la red de polímero sintético incrustada y unida dentro de la red de fibra muscular más natural derivada del manto de calamar.
Imagen: El nuevo gel de doble red de calamar/polímero sintético desarrollado en este estudio. Crédito: Tasuku Nakajima
"El gel DN que sintetizamos es mucho más fuerte y elástico que el manto natural del calamar", explica el profesor Jian Ping Gong, quien dirigió el equipo. "La estructura compuesta única también hace que el material sea impresionantemente resistente a la fractura, cuatro veces más resistente que el material original".
Vídeo: Cuando se corta una muesca en el gel de doble red sintético de calamar y se estira gradualmente, la rotura no corta directamente a través del compuesto porque las fibras musculares suprimen la propagación de la grieta (Shou Ohmura, et al. NPG Asia Materials. 20 de enero) , 2023).
Vídeo: Cuando se corta una muesca en el gel de doble red sintético de calamar y se estira con un peso de 500 gramos, no se fractura (Shou Ohmura, et al. NPG Asia Materials. 20 de enero de 2023).
El trabajo actual de prueba de concepto debería ser solo el comienzo para explorar muchos otros hidrogeles híbridos que podrían explotar las propiedades únicas de otros sistemas naturales. Las medusas ya se han utilizado como fuente de material para hidrogeles de red única más simples, por lo que son una próxima opción obvia para explorar opciones híbridas de red doble.
"Las posibles aplicaciones incluyen tejidos fibrosos artificiales que soportan carga, como ligamentos y tendones artificiales, para uso médico", dice Gong. El trabajo adicional del equipo explorará la biocompatibilidad de los geles e investigará opciones para hacer una gama de geles adecuados para diferentes usos.
El equipo de Hokkaido informa sobre su contribución a esta área de investigación de rápido movimiento en la revista NPG Asia Materials: Squid/synthetic polymer double-network gel: Elaborated anisotropy and outstanding fracture toughness
