Los materiales inteligentes o los materiales avanzados que pueden memorizar una forma temporal y transformarse en respuesta a un estímulo pueden revolucionar la medicina y la robótica. En un nuevo estudio ahora en Avances de la ciencia , Luai R. Khoury y un equipo de investigación del departamento de física de la Universidad de Wisconsin-Miluwaukee, EE. UU., Introdujeron un enfoque innovador para programar hidrogeles de proteínas e inducir cambios de forma a temperatura ambiente en soluciones acuosas. El equipo demostró su enfoque utilizando hidrogeles hechos de albúmina sérica, la proteína más abundante en el plasma sanguíneo. Los científicos sintetizaron la proteína en forma cilíndrica o de flor y programaron los geles en forma de resorte o anillo. Realizaron la programación cambiando la rigidez del material induciendo la adsorción de Zinc (Zn ²⁺ ) o Cobre (Cu ²⁺ ) cationes. Los biomateriales programados podrían volver a adoptar su forma original a medida que los cationes se difunden fuera del material de hidrogel. El método es una estrategia innovadora para programar hidrogeles basados ​​en proteínas para que actúen potencialmente como actuadores robóticos.

Los biomateriales dinámicos con cambios conformacionales pueden facilitar las estructuras de tejidos artificiales para la transformación morfológica y la robótica blanda para reaccionar y cambiar en respuesta a su entorno. Los materiales de transformación de forma más comunes se basan en polímeros que requieren cambiar entre una fase rígida y blanda. Dichos materiales generalmente se basan en dos o más esqueletos de red que comparten el mismo espacio tridimensional (3-D) o mantienen una respuesta química a iones pequeños. La programación se define como la capacidad de fijar una forma temporal en un material y el proceso requiere un aumento reversible de la rigidez. La recuperación inicial de la forma puede pasar de una fase rígida a una suave, típicamente realizado cambiando la temperatura, pH o fotoconmutación para comprometer la integridad de la red secundaria.

Khoury y col. introdujo previamente un método para formar memoria de forma en hidrogeles a base de proteínas, donde las proteínas formaron la red primaria en un ambiente rico en agua, endureciendo los hidrogeles con polielectrolitos adsorbidos. En este enfoque, el equipo produjo hidrogeles de proteínas utilizando albúmina de suero bovino, que es homóloga a la albúmina de suero humano, la proteína del plasma sanguíneo más abundante. Programaron el hidrogel mediante la rigidez inducida a través de una red secundaria hecha de polielectrolitos cargados positivamente, y estimuló un cambio de forma iniciando la respuesta de despliegue de los dominios proteicos en desnaturalizantes químicos.

La estrategia permitió la recuperación completa al eliminar el desnaturalizante y esta transición fue altamente repetible, pero la adsorción de polielectrolitos fue irreversible y dio como resultado un cambio en la rigidez. En este trabajo, los científicos utilizaron cationes divalentes para endurecer los hidrogeles a base de proteínas y los programaron en una variedad de formas que se transformaron con éxito en su forma original a través de una simple difusión. El equipo de investigación exploró el cambio mecánico para inducir una mayor rigidez y programar biomateriales basados ​​en proteínas en una variedad de formas. Los hidrogeles a base de proteínas recién programados con iones pequeños formaron un paso importante para diseñar biomateriales biocompatibles con estructuras ajustables.

Una serie de reacciones pueden producir hidrogeles a base de proteínas que incluyen estrategias de entrecruzamiento basadas en tratamientos con glutaraldehído, reacciones enzimáticas, o fotoactivación. Khouri y col. usó fotoactivación para formar los hidrogeles a base de proteínas hechos de BSA, la reacción produjo enlaces carbono-carbono covalentes. Probaron una variedad de concentraciones de iones cargados positivamente para aumentar la rigidez de los hidrogeles de proteínas para la programación de formas. y midió el cambio en la rigidez usando un aparato reométrico de sujeción de fuerza. El equipo eligió 2 mM como concentración inicial para producir una reticulación completa de BSA y los hidrogeles resultantes mostraron un comportamiento reversible sin deformación plástica. Los hidrogeles de BSA mostraron una rigidez aumentada de hasta 5 veces cuando se trataron con Cu ²⁺ y una rigidez de 17 veces en presencia de Zn ²⁺ ; varios órdenes de magnitud mayores que los reportados para geles tratados con polielectrolitos, permitiendo formas programadas más complejas. El efecto de endurecimiento se basó en la concentración de la solución, donde Zn ²⁺ era más soluble en agua y, por lo tanto, más ventajoso que el Cu ²⁺ . Los hidrogeles a base de BSA tenían una mayor tenacidad y tensión de rotura debido al aumento de las concentraciones de cationes. La tenacidad representó la capacidad del material para adsorber energía y deformarse sin fracturarse. Sin embargo, La rotura irreversible de los enlaces covalentes fue un factor limitante para las extensiones y, por lo tanto, el hidrogel requirió un refinamiento adicional.

Dado que la dinámica de la transformación de la forma programada a la forma inicial dependía directamente de la difusión de cationes fuera del biomaterial, Khoury y col. monitoreó el fenómeno utilizando un hidrogel cilíndrico en forma de U. La forma del hidrogel dependía de la cantidad de rigidez inducida por la dosificación de cationes. Los científicos obtuvieron una forma temporal combinando reticulación iónica y cationes divalentes estables en el material. Luego programaron biomateriales moldeados cilíndricamente en forma de resorte y materiales moldeados con flores en forma de anillo. Los cationes en el medio indujeron una rigidez suficientemente fuerte seguida de una transformación de un anillo a una forma de flor.

Los hidrogeles basados ​​en polímeros solos tienen una variedad de aplicaciones en la memoria de forma y aplicaciones de transformación de forma, aunque no son tan diversas estructuralmente como las proteínas naturales. En este nuevo enfoque, Luai R. Khoury y sus colegas desarrollaron hidrogeles a base de proteínas para facilitar lo mejor de ambos mundos. El enfoque se basó en Zn ²⁺ y Cu ²⁺ cationes para inducir la rigidez a fin de programar una forma permanente en una nueva configuración temporal. También han hecho que los protocolos del estudio sean ampliamente accesibles a través de Bio-protocolo. La difusión de los iones fuera del material permitió al equipo recuperar la estructura original. Su objetivo es utilizar Zn ²⁺ predominantemente en trabajos futuros debido a una mayor biocompatibilidad en comparación con Cu ²⁺ . El enfoque preservó la funcionalidad de las proteínas al formar el esqueleto del hidrogel y combinó notablemente la biodiversidad con la capacidad de programación reversible.

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