¿Qué pasaría si el personal médico de emergencia pudiera tratar a un paciente desesperadamente enfermo que necesita oxígeno con una simple inyección en lugar de tener que depender de la ventilación mecánica o apresurarse a colocarlo en una máquina de circulación extracorpórea?

Un nuevo enfoque para el transporte de gases utilizando una clase de materiales llamados líquidos porosos representa un gran paso hacia los transportadores de oxígeno artificiales y demuestra el inmenso potencial biomédico de estos fluidos inusuales.

En un estudio publicado el mes pasado en Nature , un equipo de científicos del Departamento de Química y Biología Química de Harvard detalla un nuevo enfoque para el transporte de gases en entornos acuosos utilizando líquidos porosos. Los autores identificaron y adaptaron múltiples marcos porosos que pueden almacenar concentraciones mucho más altas de gases, incluido el oxígeno (O₂ ) y dióxido de carbono (CO₂ ), que las soluciones acuosas normales. Este avance puede ser la clave para crear fuentes inyectables de oxígeno como terapia puente para el paro cardíaco, crear sustitutos de sangre artificiales y superar los desafíos de larga data en la preservación de órganos para trasplantes.

"Nos dimos cuenta de que habría muchos beneficios al usar líquidos con microporosidad permanente para abordar los desafíos del transporte de gas en el agua y otros ambientes acuosos", dijo Jarad Mason, autor principal del artículo y profesor asistente de química y biología química. "Hemos diseñado fluidos que pueden transportar O₂ en densidades que exceden la de la sangre, lo que abre nuevas e interesantes oportunidades para el transporte de gases para una variedad de aplicaciones biomédicas y energéticas".

Los líquidos con microporosidad permanente son una nueva clase de materiales que se componen de partículas porosas microscópicas dispersas en un medio líquido. Imagine pedacitos diminutos, reciclables, similares a esponjas, capaces de absorber gases en sus agujeros y liberarlos. Hasta ahora, todos los líquidos porosos han consistido en nanocristales microporosos o moléculas de jaulas orgánicas dispersas en solventes orgánicos o líquidos iónicos que son demasiado grandes para difundirse a través de las entradas de los poros. Los investigadores desarrollaron una nueva estrategia para crear líquidos porosos acuosos, denominados "agua microporosa", con altas capacidades de gas según la termodinámica.

El trabajo fue dirigido por miembros del laboratorio de Mason, incluidos los estudiantes de doctorado Daniel P. Erdosy, Malia Wenny, Joy Cho, Miranda V. Walter, el investigador postdoctoral Christopher DelRe y el estudiante de pregrado Ricardo Sánchez. También se realizaron simulaciones computacionales y experimentos biológicos en colaboración con científicos del Boston Children's Hospital y la Universidad Northwestern, incluidos Felipe Jiminez-Angeles, Baofu Oiao y Monica Olvera de la Cruz.

El agua es una molécula polar, lo que la convierte en un excelente solvente para otras moléculas polares como el etanol y el azúcar, pero es mucho peor para disolver moléculas no polares como el O₂. gas. Como tal, el agua pura puede transportar 30 veces menos oxígeno que los glóbulos rojos. La solubilidad extremadamente baja de los gases en agua ha impuesto un límite estricto a muchas tecnologías biomédicas y relacionadas con la energía que requieren el transporte de moléculas de gas a través de fluidos acuosos. Este nuevo mecanismo para el transporte de gas supera la baja solubilidad de los gases en agua y permite un transporte rápido de gas.

Inspirándose en los poros de ciertas proteínas que son accesibles a las moléculas de agua pero que, en general, permanecen secos en soluciones acuosas, el equipo propuso que los nanocristales microporosos con superficies internas hidrófobas y superficies externas hidrófilas podrían diseñarse para dejar la estructura microporosa permanentemente seca en agua y disponible para absorber moléculas de gas.

"Tuvimos que reconciliar dos propiedades aparentemente contradictorias", dijo Erdosy. "Diseñamos la superficie interna para que sea hidrófoba y repelente al agua, y la superficie externa para que sea hidrófila y resistente al agua, porque de lo contrario el fluido se separaría en fases como el aceite y el agua".

El equipo sintetizó los materiales en su laboratorio y probó su capacidad para absorber y liberar gases. Descubrieron que el agua microporosa puede transportar de forma reversible densidades extremadamente altas de gases a través de entornos a base de agua. Usando esta estrategia, el equipo desarrolló un líquido poroso que puede transportar una mayor densidad de O₂ que está incluso presente en el gas puro. Estos líquidos porosos acuosos muestran una notable estabilidad en almacenamiento, lo que les permite almacenarse a temperatura ambiente durante meses antes de su uso.

"Con un poco más de desarrollo, podrías imaginar almacenar oxígeno en un líquido microporoso en una ambulancia para tenerlo listo para inyectarlo a una persona cuando lo necesite", dijo Wenny.

El laboratorio planea realizar más experimentos con agua microporosa para probar sus aplicaciones biomédicas, mientras continúa explorando otros usos potenciales para los materiales.

"Queremos desarrollar más materiales y modelos animales para crear y probar un transportador de oxígeno in vivo", dijo Erdosy. "También tenemos planeado un proyecto más centrado en la energía sobre el uso de agua microporosa para abordar los desafíos del transporte de gas en electrocatálisis". + Explora más

Agrupaciones de agua en marcos orgánicos covalentes porosos cristalinos hidrofóbicos

Esta historia se publica por cortesía de Harvard Gazette, el periódico oficial de la Universidad de Harvard. Para obtener más noticias universitarias, visite Harvard.edu.