Los hidrogeles son biomateriales versátiles que conquistan un número cada vez mayor de áreas biomédicas. Al consistir en redes moleculares hinchadas por agua que pueden adaptarse para imitar las características mecánicas y químicas de diversos órganos y tejidos, pueden interactuar dentro del cuerpo y en sus superficies externas sin causar ningún daño incluso a las partes más delicadas de la anatomía humana.
Los hidrogeles ya se utilizan en la práctica clínica para la administración terapéutica de fármacos para combatir patógenos; como lentes intraoculares y de contacto, y prótesis corneales en oftalmología; cemento óseo, apósitos para heridas, vendajes para coagular la sangre y andamios 3D en ingeniería y regeneración de tejidos.
Sin embargo, unir polímeros de hidrogel entre sí de forma rápida y fuerte sigue siendo una necesidad insatisfecha, ya que los métodos tradicionales a menudo dan como resultado una adhesión más débil después de tiempos de adhesión más prolongados de lo deseado y dependen de procedimientos complejos.
Lograr una rápida adhesión de polímeros podría permitir numerosas aplicaciones nuevas, incluidos, por ejemplo, hidrogeles cuya rigidez podría ajustarse con precisión para adaptarse mejor a tejidos específicos, encapsulación bajo demanda de componentes electrónicos flexibles para diagnóstico médico o la creación de envolturas de tejido autoadhesivas. para partes del cuerpo difíciles de vendar.
Ahora, los científicos del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard han creado un método simple y versátil para unir instantánea y eficazmente capas hechas del mismo o de diferentes tipos de hidrogeles y otros materiales poliméricos, utilizando una fina película de quitosano:un material fibroso a base de azúcar derivado de los esqueletos externos procesados de los mariscos.
Los investigadores aplicaron con éxito su nuevo enfoque a varios problemas médicos no resueltos, incluido el enfriamiento protector local de los tejidos, el sellado de lesiones vasculares y la prevención de "adherencias quirúrgicas" no deseadas de las superficies internas del cuerpo que no deberían pegarse entre sí. Los hallazgos se publican en las Proceedings of the National Academy of Science. .
"Las películas de quitosano, con sus capacidades para ensamblar, ajustar y proteger eficazmente los hidrogeles en el cuerpo y más allá, abren numerosas oportunidades nuevas para crear dispositivos para la medicina regenerativa y la atención quirúrgica", dijo el autor principal y miembro fundador de la facultad principal del Instituto Wyss, David Mooney. , Doctorado.
"La velocidad, facilidad y eficacia con la que se pueden aplicar los convierte en herramientas y componentes muy versátiles para procesos de ensamblaje in vivo en períodos de tiempo a menudo cortos durante las cirugías y la fabricación sencilla de estructuras biomateriales complejas en instalaciones de fabricación", dijo Mooney. quien también es profesor de bioingeniería de la familia Robert P. Pinkas en SEAS.
En los últimos años, el equipo de Mooney en el Instituto Wyss y SEAS ha desarrollado "Adhesivos resistentes", una colección de enfoques de medicina regenerativa que utilizan hidrogeles estirables para facilitar la curación de heridas y la regeneración de tejidos al adherirse fuertemente a las superficies de los tejidos húmedos y adaptarse a las vibraciones mecánicas de los tejidos. propiedades.
"Los adhesivos resistentes y los hidrogeles no adhesivos formulados con precisión nos brindan a nosotros y a otros investigadores nuevas oportunidades para mejorar la atención al paciente. Pero para llevar sus funcionalidades uno o incluso varios pasos más allá, queríamos poder combinar dos o más hidrogeles en conjuntos más complejos. y hacerlo de forma rápida, segura y mediante un proceso sencillo", afirmó el coprimer autor y ex investigador asociado de Wyss, Benjamin Freedman, Ph.D., quien encabezó varios desarrollos de adhesivos resistentes con Mooney.
"Los métodos existentes para unir instantáneamente hidrogeles o elastómeros tenían desventajas sorprendentes porque dependían de pegamentos tóxicos, la funcionalización química de sus superficies u otros procedimientos complejos".
Mediante un método de selección de biomateriales, el equipo identificó películas puente hechas completamente de quitosano. El quitosano es un polímero azucarado que se puede preparar fácilmente a partir de la quitina de las cáscaras de los mariscos y que ya ha encontrado su camino hacia una amplia gama de aplicaciones comerciales. Por ejemplo, actualmente se utiliza para tratar semillas y como biopesticida en la agricultura, para prevenir el deterioro en la elaboración del vino, en recubrimientos de pintura autocurativos y en el tratamiento médico de heridas.
El equipo descubrió que las películas de quitosano lograron una unión rápida y fuerte de los hidrogeles a través de interacciones químicas y físicas que son diferentes de las involucradas en los métodos tradicionales de unión de hidrogeles.
En lugar de crear nuevos enlaces químicos basados en el intercambio de electrones entre átomos individuales (enlaces covalentes), inducidos por un pequeño cambio en el pH, las hebras de azúcar del quitosano absorben rápidamente el agua que reside entre las capas de hidrogel y se enredan con los soportes poliméricos de los hidrogeles, formando múltiples enlaces mediante interacciones electrostáticas y enlaces de hidrógeno (enlaces no covalentes).
Esto da como resultado fuerzas adhesivas entre hidrogeles que superan significativamente las creadas mediante los métodos tradicionales de unión de hidrogeles.
Para demostrar el amplio potencial de su nuevo método, los investigadores se centraron en desafíos médicos muy diferentes. Demostraron que los adhesivos resistentes modificados con películas de quitosano ahora se podían envolver fácilmente alrededor de formas cilíndricas, como un dedo lesionado, como vendajes autoadhesivos para brindar un mejor cuidado de las heridas. Debido al alto contenido de agua de los hidrogeles unidos a quitosano, su aplicación también permitió el enfriamiento local de la piel humana subyacente, lo que en el futuro podría conducir a tratamientos alternativos para quemaduras.
Los investigadores también envolvieron hidrogeles (geles resistentes) cuyas superficies fueron modificadas con finas películas de quitosano sin problemas alrededor del intestino, el tendón y el tejido nervioso periférico sin unirse a los propios tejidos.
"Este enfoque ofrece la posibilidad de aislar eficazmente los tejidos entre sí durante las cirugías, que de otro modo podrían formar 'adherencias fibróticas' con consecuencias a veces devastadoras. Su prevención es una necesidad clínica no cubierta que las tecnologías comerciales aún no pueden abordar adecuadamente", explicó Freedman. P>
En otra aplicación, aplicaron una fina película de quitosano sobre un gel resistente que ya se había colocado ex vivo sobre la aorta de un cerdo lesionado como sellador de heridas para aumentar la resistencia general del vendaje, que estuvo expuesto a las fuerzas mecánicas cíclicas de la sangre que pulsa a través de él. el barco.
"Las numerosas posibilidades que surgen de este estudio realizado por el grupo de Dave Mooney añaden una nueva dimensión a la ingeniería de dispositivos biomédicos de hidrogel, lo que podría conducir a soluciones elegantes para problemas urgentes no resueltos en la medicina regenerativa y quirúrgica de las que muchos pacientes podrían beneficiarse", dijo Wyss Founding. Director Donald Ingber, M.D., Ph.D., quien también es profesor Judah Folkman de biología vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y el Boston Children's Hospital, y profesor Hansjörg Wyss de ingeniería bioinspirada en SEAS.
Los autores adicionales del estudio son el coautor Juan Cintrón Cruz, Mathew Lee y James Weaver del Wyss Institute y SEAS; Phoebe Kwon, Haley Jeffers y Daniel Kent en SEAS; y Kyle Wu en el Centro Médico Beth Israel Deaconess en Boston.
Más información: Adhesión resistente instantánea de redes de polímeros, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2304643121. doi.org/10.1073/pnas.2304643121
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de Harvard
