Los investigadores que buscan desarrollar hidrogeles autocurativos han buscado durante mucho tiempo imitar la capacidad natural de los mejillones para generar fuertes, hilos flexibles bajo el agua que permiten que los mejillones se adhieran a las rocas.

El proceso natural que da a estos hilos de mejillón, que se llaman byssal, la capacidad de romperse y volver a formarse es un proceso puramente químico, no biológico, El estudiante graduado del MIT, Seth Cazzell, señaló en una presentación en la reunión de otoño de la Materials Research Society en Boston el 5 de diciembre.

El paso crítico en el proceso es la unión química de las cadenas de polímero a un átomo de metal (un enlace proteína-metal en el caso del mejillón). Estos enlaces se denominan enlaces de coordinación de metales reticulados. Su mayor fuerza se produce cuando cada átomo de metal se une a tres cadenas de polímero, y forman una red que da como resultado un hidrogel fuerte.

En un recientemente publicado PNAS papel, Cazzell y el profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales Niels Holten-Andersen demostraron un método para crear un hidrogel autocurativo en un rango más amplio de concentraciones de metales mediante el uso de competencia controlada por el pH, o acidez y alcalinidad, del medio ambiente. Cazzell es un ex becario graduado en Ciencias e Ingeniería de la Defensa Nacional.

En su modelo de sistema computacional, Cazzell demostró que en ausencia de competencia controlada por pH, exceso de metal, típicamente hierro, aluminio, o níquel:supera la capacidad del polímero para formar fuertes enlaces cruzados. En presencia de demasiado metal, los polímeros se unirán individualmente a átomos de metal en lugar de formar complejos reticulados, y el material permanece líquido.

Un ligando coordinador metálico inspirado en el mejillón comúnmente estudiado es el catecol. En este estudio, un catecol modificado, nitrocatecol, estaba unido al polietilenglicol. Al estudiar el sistema de nitrocatecol coordinado con hierro, así como un segundo modelo de sistema de hidrogel (histidina coordinada con níquel), Cazzell confirmó experimentalmente que la formación de enlaces cruzados fuertes podría inducirse en concentraciones de metales en exceso, apoyando su evidencia computacional del papel competitivo de los iones hidróxido (pares hidrógeno-oxígeno cargados negativamente), que actúan como competidores del polímero para unirse al metal.

En estas soluciones, los polímeros pueden unirse a átomos de metal en unos, dos o tres. Cuando más átomos de metal se unen a los iones de hidróxido, hay menos átomos de metal disponibles para unirse a átomos de polímero, lo que aumenta la probabilidad de que los átomos de polímero se unan a los átomos de metal en fuertes reticulaciones triples que producen el gel similar a masilla deseado.

"Lo que realmente nos gusta de este estudio es que no estamos analizando la biología directamente, pero creemos que nos está dando una buena evidencia de algo que podría estar sucediendo en biología. Así que es un ejemplo de ciencia de materiales que informa lo que creemos que el organismo realmente está usando para construir estos materiales. "Dice Cazzell.

En simulaciones, Cazzell trazó el efecto del hidróxido competidor sobre la fuerte formación de hidrogel y descubrió que a medida que aumenta la fuerza del competidor, "podemos entrar en un rango en el que podemos formar un gel en casi cualquier lugar". Pero, él dice, "Con el tiempo, el competidor se vuelve demasiado fuerte, y se pierde la capacidad de formar un gel ".

Estos resultados tienen potencial para su uso en la impresión 3D avanzada de tejidos sintéticos y otras aplicaciones biomédicas.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.