Las mezclas de COP (verde) y ELP (azul) se pueden utilizar para crear una variedad de nuevas arquitecturas de micropartículas que incluyen (en el sentido de las agujas del reloj desde la esquina superior izquierda) partículas porosas, redes de 'frutos en una vid', partículas huecas individuales 'parecidas a vesículas', y redes core-shell. Crédito:Stefan Roberts, Universidad de Duke
Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han ideado un método para fabricar pequeñas partículas que son seguras para los tejidos vivos que les permitirá crear nuevas formas atractivas para la administración de fármacos. diagnóstico e ingeniería de tejidos.
Los resultados aparecen en línea el 12 de marzo en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .
"Con nada más que un poco de calor y luz, podemos hacer algunas micropartículas bastante extrañas, "dijo Stefan Roberts, científico investigador en ingeniería biomédica en Duke. "La técnica es tan simple que podría ampliarse para producir miles de millones de micropartículas en cuestión de minutos".
En el mundo de las micropartículas biocompatibles, forma, Talla, la microestructura interna y el tipo de material dictan sus propiedades intrínsecas. Aunque las empresas y los laboratorios de investigación ya pueden fabricar muchas micropartículas complejas, el proceso generalmente implica sofisticadas técnicas de fabricación, como microfluidos de emulsión múltiple o litografía de flujo. Ambos tienen sus desventajas.
Los microfluidos de emulsión múltiple controlan tediosamente una serie de gotas de aceite individuales, pero se esfuerza por mantener los materiales completamente separados entre sí y no se pueden utilizar para la producción a gran escala. La litografía de flujo ilumina a través de una máscara estampada para grabar formas en materiales blandos y puede producir muchas partículas en poco tiempo. pero el proceso es difícil de adaptar a formas complicadas y arquitecturas internas.
Trabajando con Ashutosh Chilkoti, el Profesor Distinguido Alan L.Kaganov de Ingeniería Biomédica en Duke, Roberts se propuso probar un enfoque completamente nuevo:materiales biológicos. La pareja de investigadores tiene un historial de trabajo con polipéptidos similares a elastina (ELP), que son proteínas desordenadas que, como una bola de espagueti, derivan su estabilidad del caos y no tienen una verdadera forma. Más recientemente, el equipo comenzó a trabajar con proteínas parcialmente ordenadas (COP), que conservan muchas de las propiedades biológicamente útiles de los ELP, pero tienen suficientes segmentos ordenados para proporcionar más estabilidad que los fideos húmedos.
Una mirada de cerca a una sola micropartícula porosa de POP desde un microscopio electrónico de barrido. Crédito:Stefan Roberts, Universidad de Duke
Ambos tipos de proteínas se pueden diseñar para cambiar entre estados de fase a ciertas temperaturas. Si bien esta es una característica útil para aplicaciones como la liberación lenta de medicamentos en el cuerpo o el apoyo al crecimiento de tejido en heridas, los investigadores pronto descubrieron que también podían crear varias formas de partículas al unir ELP y POP.
"Las proteínas desordenadas son un tema candente en biología, con muchos investigadores tratando de descubrir cómo las proteínas sin forma pueden tener un propósito biológico, ", dijo Roberts." Una corriente subyacente de nuestro trabajo es pensar en estas proteínas como lo haría un científico de materiales y ver si podemos diseñarlas para nuestras propias funciones biológicas de formas que no se pueden lograr con los materiales actuales ".
En el papel, Roberts y Chilkoti demuestran algunas micropartículas nuevas elaboradas con estos dos tipos de proteínas. Al ajustar las temperaturas a las que se montan y desmontan, y barriendo de un lado a otro a través de un rango de temperaturas a diferentes velocidades, los investigadores demuestran que son capaces de crear un conjunto de formas, como un caparazón con un núcleo sólido, un caparazón sin núcleo, y una maraña de cuerdas salpicadas de conchas a las que llamaron "frutos en una vid". Luego, incorporando aminoácidos fotosensibles, demuestran que pueden congelar estas formas en micropartículas sólidas con un destello de luz.
Los investigadores dicen que la capacidad de crear micropartículas con regiones separadas con precisión es relevante para aplicaciones como la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos.
Cada conjunto de parámetros crea simultáneamente millones de sólidos, micropartículas biocompatibles ligeramente más grandes que una célula promedio. Solo toma unos minutos, y todo sucede en un volumen de líquido del tamaño de una gota de agua.
"Este es un caso de prueba para un tipo de material que es lo suficientemente flexible y simple como para crear formas y arquitecturas de uso común que no se ven con las técnicas actuales, ", dijo Roberts." Estamos utilizando nuevos materiales biocompatibles para crear formas nunca antes vistas simplemente calentando, refrescándolos y alumbrando con una luz ".
