Los hidrogeles adhesivos Janus tienen aplicaciones prometedoras en todos los campos de la atención sanitaria. Sin embargo, aún no se había desarrollado mediante bioingeniería en el laboratorio un método sencillo para sintetizar el material.
En un nuevo estudio publicado ahora en Science Advances , Huowen Chen y un equipo de investigación en China idearon un método simple para preparar hidrogeles de Janus basándose en fenómenos fundamentales que incluyen la autoagregación de tensioactivos en altas concentraciones en la interfaz aire/agua.
El equipo combinó una pequeña cantidad de alfa-linoleato de sodio con acrilamida mediante polimerización por radicales libres y sintetizó los hidrogeles adhesivos Janus. Estas construcciones mostraron una fuerza adhesiva, propiedades químicas y morfología de superficie notables, que el equipo investigó mediante simulaciones de dinámica molecular para comprender los mecanismos de las propiedades del biomaterial.
Los materiales de red tridimensionales de hidrogeles están hechos principalmente de cadenas de polímeros hidrófilos que contienen una gran cantidad de agua. Debido a su excelente biocompatibilidad, propiedades humectantes y flexibilidad, los materiales son muy adecuados para la biomedicina.
Para lograr esto, los hidrogeles deben tener buenas propiedades adhesivas con el tejido biológico. Los bioingenieros han diseñado recientemente hidrogeles adhesivos mediante la introducción de grupos supramoleculares, de aminoácidos y de ácidos nucleicos huésped-huésped. Los hidrogeles Janus se pueden crear con diferencias químicas o físicas entre los lados superior e inferior del hidrogel, mediante métodos de remojo, síntesis gradual o fundición en molde.
Como resultado, es crucial desarrollar un método de preparación sencillo, eficiente y rentable que sea respetuoso con el medio ambiente para aplicar los hidrogeles adhesivos Janus. En este trabajo, Chen y sus colegas propusieron un nuevo estudio para sintetizar hidrogeles adhesivos de Janus explorando su adhesión interfacial.
Durante los experimentos, utilizaron un derivado de ácido graso insaturado de origen vegetal combinado con monómero comercial de acrilamida, micelas y alfa-linoleato de sodio como componentes base. El método propuesto es el primer plan de estudio para superar los desafíos de la producción de hidrogel Janus y ampliar la producción de hidrogel adhesivo.
Preparando los hidrogeles de Janus
El equipo de investigación diseñó los hidrogeles adhesivos Janus regulando diversas propiedades entre cada superficie del material, incluida su morfología, composición química e hidrofilicidad.
Al principio, disolvieron el monómero tensioactivo en agua desionizada para crear una solución transparente y homogénea con una concentración superior a la concentración micelar crítica. Posteriormente, el equipo añadió un monómero acrilamida y metilenbisacrilamida para preparar el hidrogel y realizó una serie de caracterizaciones químicas en la superficie y el fondo del hidrogel mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier.
Los científicos observaron fuertes picos de absorción característicos en relación con el grupo funcional amoníaco y el grupo funcional carbonilo. Verificaron estos resultados con espectroscopía Raman para indicar la polimerización por radicales libres del monómero durante la formación del hidrogel.
Experimentos adicionales
Los científicos llevaron a cabo estudios de dinámica molecular para identificar la distribución de construcciones de biomateriales y mostrar las moléculas agregadas en la interfaz aire-agua bajo tensión superficial y fuerzas impulsoras térmicas. Los resultados mostraron cómo la composición química del material variaba según las superficies para contribuir a su morfología e hidrofilicidad.
El equipo realizó microscopía electrónica de transmisión para revelar la distinta composición química y morfología física del material, con una clara influencia en sus propiedades de adhesión para investigar las propiedades mecánicas y adhesivas del hidrogel.
Dado que la construcción de bioingeniería es un hidrogel adhesivo sensible a la presión, los científicos lograron propiedades adhesivas suficientes al facilitar un buen contacto con el sustrato del material. A medida que aumentó el contenido de alfa-linoleato de sodio, los módulos de compresión de la señalización del hidrogel disminuyeron, para facilitar un módulo de compresión del hidrogel.
Si bien la baja compresión del material garantizaba su adhesión, se requerían buenas propiedades de tracción para ajustar las propiedades físicas del material y lograr un rendimiento óptimo. Los resultados experimentales totales confirmaron la hipótesis de que el tensioactivo alfa-linoleato de sodio formó diversas distribuciones en el hidrogel a través de la tensión superficial y los efectos de evaporación para crear un material adhesivo de hidrogel Janus. Los componentes de la construcción ofrecían fuertes propiedades adhesivas y un rendimiento duradero.
Caracterización de la biocompatibilidad del material
Chen y sus colegas caracterizaron los hidrogeles para una variedad de aplicaciones médicas y aseguraron su biocompatibilidad considerando cuidadosamente dos componentes principales inofensivos según estudios previos.
El equipo validó los resultados realizando pruebas de biocompatibilidad con células de fibroblastos de piel humana mediante un ensayo Transwell y mediante contacto directo con materiales de hidrogel. Después de más estudios, los hidrogeles no mostraron toxicidad hacia las células de fibroblastos de la piel, lo que resalta una excelente biocompatibilidad con un gran potencial para una variedad de aplicaciones biomédicas, incluida la administración de fármacos y la reparación de la piel.
De esta manera, Huowen Chen y el equipo de investigación validan la composición de los hidrogeles adhesivos Janus aprovechando la distribución heterogénea de tensioactivos inspirada en su agregación natural en la interfaz agua-aire. El equipo logró la síntesis en un solo paso del hidrogel adhesivo Janus mediante polimerización por radicales libres. Los resultados del material recientemente desarrollado mostraron diferencias notables en composición química, morfología y propiedades mecánicas.
Mientras que la superficie superior del hidrogel Janus mostró una textura relativamente rugosa, la parte inferior del material mostró una menor energía de adhesión. La clara diferencia entre las propiedades de adhesión aseguró la preparación de los biomateriales con la distribución heterogénea de tensioactivos para proporcionar una nueva estrategia sintética para preparar hidrogeles de Janus para una amplia gama de aplicaciones prácticas. Los resultados en curso ofrecen la capacidad de explorar diferentes tensioactivos en la síntesis del hidrogel Janus para investigar su potencial biomédico.
Más información: Huowen Chen et al, Síntesis en un solo paso del hidrogel Janus mediante una distribución heterogénea de α-linoleato de sodio impulsada por la autoagregación de tensioactivos, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj3186
Información de la revista: Avances científicos
© 2023 Red Ciencia X
