Impreso en 3-D, órganos trasplantables puede parecer ciencia ficción, pero, gracias a los avances en la química de polímeros, podrían convertirse en realidad. Los hidrogeles sensibles a estímulos representan una amplia clase de materiales blandos que cambian sus propiedades mecánicas cuando se aplican ciertos factores desencadenantes externos. El año pasado, los investigadores del laboratorio de Jonathan Barnes, profesor asistente de química, creó un nuevo tipo de músculo molecular artificial a partir de un polímero que cambia de color y se contrae cuando se expone a la luz azul. Materiales similares prometen una amplia gama de aplicaciones, particularmente en medicina.

Barnes comenzó a trabajar en hidrogeles porque quería desarrollar un material que pudiera cambiar de forma, Talla, y propiedades mecánicas cuando se activan, al igual que nuestros músculos cuando se expanden y contraen. "Mucha gente dijo que nunca obtendríamos la cantidad de contracción que esperábamos, Barnes recordó, "pero en realidad funcionó mejor de lo que imaginamos".

En "Fotopatrón de hidrogel reversible:control espacial y temporal sobre las propiedades mecánicas del gel mediante catálisis fotoredox de luz visible, "publicado el 17 de junio en la revista Interfaces y materiales aplicados ACS , El laboratorio de Barnes presentó un nuevo tipo de polímero sensible que se basa en el éxito del estudio anterior. El nuevo trabajo del equipo se centró en desarrollar soft, Materiales biocompatibles que podrían soportar cargas pesadas:materiales que en el futuro pueden ser particularmente adecuados para usos médicos como prótesis u órganos trasplantables.

Faheem Amir, autor principal del artículo e investigador postdoctoral en el laboratorio de Barnes, dice que este tipo de estudio aborda una brecha actual en tecnología. "Las células de los sistemas vivos se enfrentan a un entorno tridimensional, sin embargo, la mayoría de los estudios que se realizan en células se realizan en materiales 2-D, ", explicó. Los hidrogeles que son fuertes, pero suave y elástica, puede proporcionar una forma para que científicos como Amir traigan células a un sistema 3-D y vean cómo se comportan las células en diferentes condiciones.

El equipo rediseñó la química detrás de las reacciones de su polímero para crear nuevos hidrogeles utilizando un polímero biocompatible. El material base, utilizado actualmente en lentes de contacto, permite una mayor elasticidad y, a su vez, puede soportar mejor las redes de celdas 3-D.

Desde su éxito inicial, el equipo ha trabajado para mejorar la velocidad de la reacción y su método de activación. Los hidrogeles anteriores requerían inmersión en una solución química reductora, pero el nuevo material del equipo responde a la luz visible mediante la inclusión de un fotocatalizador en la red de hidrogel. Esta candente área de la química se conoce como catálisis fotoredox, y ha ampliado drásticamente la usabilidad de los hidrogeles de Barnes lab.

"Estamos usando el fotocatalizador para absorber luz y transferir un electrón a nuestro polímero, que acciona el material. Tan pronto como apagamos la luz y el material se expone al oxígeno del aire ambiente, invierte el proceso, "Explicó Barnes." Es como una esponja. Cuando sacamos toda el agua es más pequeño pero luego, cuando lo vuelves a dejar caer en el agua, se hinchará de nuevo. Es el mismo tipo de proceso que en natural, sistemas mecánicos, como músculos ".

Una vez que el equipo supo que el proceso funcionaría con luz visible, querían refinar su aplicación iluminando y activando solo lugares muy precisos en el gel, No todo. Ese es el enfoque de este estudio:¿Puede el nuevo hidrogel no solo actuar como lo hizo en iteraciones anteriores, sino también hacerlo con precisión?

Amir informó el éxito en varias áreas. "El proceso resultó en aumentos significativos en la rigidez del material blando, Fuerza de Tensión, y porcentaje de alargamiento antes de romperse, todo lo cual podría revertirse fácilmente a través de la oxidación y la hinchazón en el agua, ", dijo. Los hidrogeles también permitieron una resolución espacial precisa y el control sobre dónde se producían las activaciones, que el equipo ilustró mediante fotopatrones de un diseño de bandera estadounidense.

Ahora que los investigadores del laboratorio de Barnes tienen control espacial sobre la activación del hidrogel, pueden optar por optimizarlo para aplicaciones biomédicas en colaboración con la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington (WUSM). "Sabemos lo suficiente sobre la estructura básica de los órganos como para poder imprimirlos en 3D en principio, pero nos faltan los materiales, "Dijo Barnes.

Los investigadores del laboratorio de Barnes se centrarán a continuación en demostrar que sus hidrogeles son lo suficientemente duraderos como para admitir aplicaciones con células suspendidas en una matriz tridimensional. Ser capaz de activar áreas específicas en tres dimensiones es un paso clave hacia el crecimiento exitoso de tejido en un cultivo de células 3-D. Otros refinamientos del material incluirán activarlo con otras longitudes de onda de luz, como infrarrojos, lo que permitiría la activación no invasiva a través del tejido humano. El objetivo final sería crear un inyectable, Hidrogel personalizado imprimible en 3D, una "tinta biológica" personalizada construida a partir del propio tejido del paciente, que podría activarse selectivamente a través de la piel. con solo iluminarlo. Esto permitiría aplicaciones altamente especializadas dentro del cuerpo.

"Avanzando, hemos desarrollado una colaboración con el Dr. Moe Mahjoub de WUSM donde estamos estudiando los efectos de la actuación fotoinducida en el comportamiento celular, "Dijo Amir. Los colaboradores esperan que sus hidrogeles activados sean capaces de imitar el tejido humano, creando una plataforma general para su uso en innumerables aplicaciones. La versatilidad de la tecnología clave del equipo, su reticulante polimerizable, apoya este objetivo:los investigadores pueden combinar su reticulante con cualquier monómero para crear polímeros personalizados con características y propiedades mecánicas cuidadosamente ajustadas.

"Tomamos esta idea de que nadie pensó que funcionaría hasta el punto en que realmente estamos mostrando relevancia biomédica con estos materiales. Esto está empujando mucho más allá de la química fundamental," e incluso más allá de WashU, para construir colaboraciones en todo el país e incluso en el mundo, ", dijo Barnes. Esta investigación se presentó en la reunión de la American Chemical Society (ACS) en abril pasado. Vea la presentación completa de Barnes, "El material similar a un músculo se expande y contrae en respuesta a la luz, "de ACS Orlando 2019.