Los científicos han estado buscando formas de desarrollar materiales que sean tan dinámicos como los seres vivos, con la capacidad de cambiar de forma, mover y cambiar propiedades de forma reversible.

Ahora, con la naturaleza como inspiración, Los científicos de la Universidad Northwestern han desarrollado materiales blandos que se autoensamblan de forma autónoma en superestructuras moleculares y se desmontan notablemente a pedido. cambiando las propiedades de los materiales y abriendo la puerta a materiales novedosos en aplicaciones que van desde sensores y robótica hasta nuevos sistemas de administración de fármacos y herramientas para la regeneración de tejidos.

Los nuevos materiales altamente dinámicos forman hidrogeles y también han proporcionado pistas biológicas inesperadas sobre el microambiente cerebral después de una lesión o enfermedad cuando sus superestructuras revelaron fenotipos reversibles en las células cerebrales características del tejido cerebral lesionado o sano.

"Estamos acostumbrados a pensar que los materiales tienen un conjunto estático de propiedades, "dijo Samuel I. Stupp, coautor correspondiente del artículo. "Hemos demostrado que podemos crear materiales sintéticos altamente dinámicos que pueden transformarse a sí mismos formando superestructuras y pueden hacerlo de forma reversible bajo demanda". que es un avance real con profundas implicaciones ".

Los resultados se publican hoy (4 de octubre) en la revista. Ciencias . Stupp es director del Instituto Simpson Querrey de Northwestern y es profesor del Consejo de Administración de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Química, Medicina e Ingeniería Biomédica. Erik Luijten, Catedrático y Catedrático de Ciencia de los Materiales e Ingeniería y Ciencias de la Ingeniería y Matemática Aplicada, es coautor correspondiente.

Para crear el material, Stupp y su becario postdoctoral Ronit Freeman, ahora profesor asociado en la Universidad de Carolina del Norte, Chapel Hill, Desarrolló algunas moléculas compuestas por péptidos (compuestos de aminoácidos) y otras compuestas por péptidos y ADN. Cuando se colocan juntos, estos dos tipos de moléculas se ensamblan conjuntamente para formar filamentos a nanoescala solubles en agua.

Cuando se mezclaron filamentos que contenían secuencias de ADN complementarias que podrían formar dobles hélices, las moléculas que contienen ADN diseñadas para crear hélices dobles "saltaron" de sus filamentos para organizar las superestructuras complejas únicas, dejando atrás las moléculas sin ADN para formar filamentos simples.

Las superestructuras de ADN, que contiene millones de moléculas, parecían haces de filamentos retorcidos que alcanzaban dimensiones del orden de micrones tanto en longitud como en anchura. El material resultante fue inicialmente un hidrogel blando, que se volvió mecánicamente más rígido a medida que se formaban las superestructuras. Las estructuras eran jerárquicas, lo que significa que contenían estructuras ordenadas en diferentes escalas de tamaño. La naturaleza hace esto muy bien:hueso, el músculo y la madera son materiales jerárquicos, pero tales estructuras han sido muy difíciles de lograr en materiales sintéticos.

Aun mejor, Los investigadores encontraron que cuando agregaron una molécula de ADN simple que podría interrumpir las dobles hélices que interconectan los filamentos en las superestructuras, los bultos se deshicieron, y el material volvió a su estructura inicial simple y estado más blando. A continuación, se podría utilizar otro tipo de molécula para reformar los materiales más rígidos que contienen superestructuras. Ese tipo de reversibilidad nunca antes se había logrado.

Para comprender mejor cómo funcionó este proceso, Stupp conectado con Luijten, un científico de materiales computacionales. Luijten, con su estudiante graduado Ming Han, desarrollaron simulaciones que ayudaron a explicar la mecánica detrás de cómo y por qué se formaban y giraban los paquetes. En tales simulaciones, Han y Luijten pudieron examinar cómo cada parte de las moléculas diseñadas podría gobernar la creación de las superestructuras. Después de un extenso cálculo (cada cálculo tomó semanas en la supercomputadora Quest de Northwestern), encontraron que las moléculas no necesitaban ADN para agruparse, sino que podían estar formadas en principio por muchos otros pares de moléculas con estructuras químicas que interactúan fuertemente entre sí.

"Según nuestro conocimiento del mecanismo, predijimos que solo las cargas positivas y negativas en la superficie de los filamentos serían suficientes, ", Dijo Luijten. Eso significaba que tales superestructuras podrían crearse sin la presencia de ADN, en un material completamente sintético.

Stupp y los miembros de su laboratorio crearon el mismo material utilizando solo péptidos en lugar de ADN. Cuando los investigadores utilizaron péptidos con cargas opuestas en una arquitectura específica que imita la complementariedad del ADN, descubrieron que se autoensamblaban en superestructuras que también eran reversibles cuando se neutralizaban las cargas.

Los usos potenciales de estos materiales se expanden a la medicina y más allá. Una terapia compleja con proteínas, anticuerpos, Las drogas, incluso los genes, podrían almacenarse en las superestructuras y liberarse en el cuerpo a demanda a medida que desaparecen las estructuras jerárquicas. Los científicos también podrían buscar nuevos materiales en los que las superestructuras reversibles provoquen cambios en la electrónica, propiedades ópticas o mecánicas, o incluso emisión de color y luz, Stupp dijo.

"Ahora que sabemos que esto es posible, other scientists can use their imagination and design new molecules in search of these new 'dynamic' materials that reorganize internally on demand to change properties, " él dijo.

The new materials also led the researchers to a biological discovery. They took astrocytes—cells in the brain and spinal cord associated with neurons—and placed them on the new materials. Astrocytes are important because when the brain or the spinal cord are injured or diseased, they acquire a specific shape known as the "reactive phenotype" and produce scars that are dense fibrous networks. In the healthy brain, astrocytes have a "naïve phenotype" and a different shape.

Curiosamente, when the researchers placed astrocytes on the material with only simple filaments, the astrocytes had a naïve phenotype, but when the superstructures formed they became reactive. They then reverted back to the naïve phenotype when the hierarchical structure disassembled. This discovery linked the architecture of the cell's microenvironment to these critical changes of phenotype in injury and disease of the central nervous system.

Biologists recently discovered that it was possible to revert these reactive astrocytes to their naïve state by transplanting them into healthy subjects who do not have injuries, but Stupp and his collaborators found the new material triggers these phenotype transformations in brain cells.

"The cell responded to the structure of the material in its environment, " Stupp said. "It gives us new ideas on how to undo the scars in injured or diseased brain and spinal cord."