Los metales como el hierro y el calcio juegan un papel crucial dentro del cuerpo humano, por lo que no es de extrañar que a los bioingenieros les gustaría integrarlos en el software, materiales elásticos utilizados para reparar la piel, vasos sanguineos, pulmones y otros tejidos.

El diseño de elastómeros, un tipo de polímero con propiedades similares al caucho, es un proceso laborioso que produce un producto con una versatilidad limitada. Pero los ingenieros de Cornell han desarrollado un nuevo marco que hace que el diseño de elastómeros sea un proceso modular, permitiendo la mezcla y combinación de diferentes metales con un solo polímero.

El marco se detalla en "Reticulación por quelación de elastómeros biodegradables, "publicado el 22 de septiembre en Materiales avanzados .

El marco fue concebido cuando los investigadores del Laboratorio de Biofoundry de Cornell buscaron crear un injerto vascular elástico que pudiera ayudar a reparar el tejido cardíaco utilizando cobre. Yadong Wang, el Profesor de Tecnología de Asistencia Cardíaca de la McAdam Family Foundation en la Escuela Meinig de Ingeniería Biomédica, y el asociado postdoctoral Ying Chen quería incorporar cobre en su injerto debido a su papel en la inducción de la angiogénesis, el proceso por el cual crecen nuevos vasos sanguíneos a partir de los existentes.

La mezcla de iones de cobre y otros metales con polímeros sigue siendo un área de nicho de la química, por lo que Chen no tenía un plan a seguir. En lugar de, se propuso diseñar un elastómero biocompatible y biodegradable desde cero.

El avance clave de Chen fue la reticulación de su polímero con iones de cobre utilizando ligandos quelantes, moléculas que se unen estrechamente a un ión metálico mediante dos o más enlaces. "como cuando una garra de cangrejo pellizca un objeto, ", dijo Wang. Si bien los enlaces de quelación se consideran de fuerza moderada en química, los elastómeros tienen muchas moléculas de reticulación, por lo que una multitud de ligandos quelantes pueden trabajar juntos para formar una molécula fuerte.

Y debido a que un ligando puede unir múltiples iones metálicos, puede producir una amplia gama de propiedades mecánicas, como rigidez y tenacidad, así como propiedades biomédicas. Por ejemplo, los iones de cobre de un polímero podrían reemplazarse con zinc, o se podría usar una combinación de cobre y zinc, un tándem que está presente en una enzima importante para combatir el envejecimiento humano.

"El descubrimiento fue muy emocionante, ", Dijo Chen." Solo quería seguir adelante con mi elastómero de cobre porque estoy enfocado en la ingeniería de tejidos, pero el profesor Wang estaba diciendo, 'Desacelerar, necesitamos probar qué tan poderosa es esta plataforma y qué podemos hacer con ella '".

Como prueba de concepto, Chen diseñó seis elastómeros únicos utilizando un polímero y seis metales diferentes, y luego hizo un séptimo elastómero usando una mezcla de calcio y magnesio. Era la primera vez que alguien mostraba un elastómero de iones metálicos biodegradable, y mucho menos siete de ellos.

"Cuando Ying me mostró lo que había hecho, Yo dije, 'Este material es asombroso, '", Dijo Wang." Hay tantas cosas que puedes hacer con este simple diseño. Usando muchos tipos diferentes de iones metálicos, un polímero puede convertirse en ocho, nueve, 10 elastómeros diferentes ".

El equipo de investigación también realizó experimentos mecánicos y de biocompatibilidad en sus elastómeros, pruebas de tensión de los materiales, cepa y capacidad para ser utilizado con tejido vivo. La durabilidad y biocompatibilidad de los elastómeros coincidían con las de los biomateriales más tradicionales utilizados en medicina.

"El material de cobre era muy elástico, ", Dijo Chen." Se puede estirar al menos cientos de veces sin romperse ".

Ahora que la plataforma ha publicado, Chen centra su investigación en el injerto de elastómero de cobre y su capacidad para reparar los vasos sanguíneos y el tejido cardíaco. Mientras tanto, espera que otros ingenieros utilicen su plataforma para crear nuevos materiales para mejorar la reconstrucción y regeneración de tejidos blandos.

Wang comparte la misma esperanza, y dichas posibles aplicaciones para la estructura no se limitan a vasos sanguíneos y otros tejidos, pero potencialmente podría usarse para elastómeros industriales como neumáticos ecológicos que se biodegradan.

"Solo estamos rascando la superficie, " él dijo.