El cuerpo humano se mantiene unido por un intrincado sistema de cables de tendones y músculos, diseñado por la naturaleza para ser resistente y altamente elástico. Una lesión en cualquiera de estos tejidos, particularmente en una articulación importante como el hombro o la rodilla, puede requerir reparaciones quirúrgicas y semanas de movilidad limitada para sanar por completo.

Ahora, los ingenieros del MIT han creado un diseño de ingeniería de tejidos que puede permitir un rango de movimiento flexible en los tendones y músculos lesionados durante la curación.

El equipo ha diseñado pequeñas bobinas revestidas con células vivas, que dicen que podrían actuar como andamios elásticos para reparar músculos y tendones dañados. Las bobinas están hechas de cientos de miles de nanofibras biocompatibles, fuertemente retorcido en bobinas que se asemejan a una cuerda náutica en miniatura, o hilo.

Los investigadores recubrieron el hilo con células vivas, incluyendo células madre mesenquimales y musculares, que naturalmente crecen y se alinean a lo largo del hilo, en patrones similares al tejido muscular. Los investigadores encontraron que la configuración enrollada del hilo ayuda a mantener las células vivas y en crecimiento. incluso cuando el equipo estiró y dobló el hilo varias veces.

En el futuro, los investigadores imaginan que los médicos podrían revestir los tendones y músculos dañados de los pacientes con este nuevo material flexible, que estaría recubierto con las mismas células que componen el tejido lesionado. La elasticidad del "hilo" podría ayudar a mantener el rango de movimiento del paciente mientras continúan creciendo nuevas células para reemplazar el tejido lesionado.

"Cuando reparas músculos o tendones, realmente tienes que arreglar su movimiento por un período de tiempo, usando una bota, por ejemplo, "dice Ming Guo, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT. "Con este hilo de nanofibras, la esperanza es, no tendrás que usar nada como eso ".

Guo y sus colegas publicaron sus resultados esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Sus coautores del MIT son Yiwei Li, Yukun Hao, Satish Gupta, y Jiliang Hu. El equipo también incluye a Fengyun Guo, Yaqiong Wang, Nü Wang, y Yong Zhao, de la Universidad de Beihang.

Atascado en goma de mascar

El nuevo hilo de nanofibras se inspiró en parte en el trabajo anterior del grupo sobre membranas de langosta, donde encontraron el vientre duro pero elástico del crustáceo se debe a una capa, estructura similar a la madera contrachapada. Cada capa microscópica contiene cientos de miles de nanofibras, todos alineados en la misma dirección, en un ángulo que está ligeramente desplazado de la capa justo arriba y abajo.

La alineación precisa de las nanofibras hace que cada capa individual sea muy elástica en la dirección en la que están dispuestas las fibras. Guo, cuyo trabajo se centra en la biomecánica, vio el patrón elástico natural de la langosta como inspiración para diseñar tejidos artificiales, particularmente para las regiones del cuerpo que se estiran mucho, como los hombros y las rodillas.

Guo dice que los ingenieros biomédicos han incrustado células musculares en otros materiales elásticos como hidrogeles, en intentos de modelar tejidos artificiales flexibles. Sin embargo, mientras que los propios hidrogeles son elásticos y duros, las celdas incrustadas tienden a romperse cuando se estiran, como un pañuelo de papel pegado a un chicle.

"Cuando deforma en gran medida un material como el hidrogel, se estirará muy bien, pero las células no pueden soportarlo "Dice Guo." Una célula viva es sensible, y cuando los estiras, ellos mueren."

Refugio en un furtivo

Los investigadores se dieron cuenta de que simplemente considerar la capacidad de estiramiento de un material no sería suficiente para diseñar un tejido artificial. Ese material también debería poder proteger a las células de las tensiones severas producidas cuando se estira el material.

El equipo buscó más inspiración en músculos y tendones reales, y observó que los tejidos están hechos de hebras de fibras proteicas alineadas, enrolladas juntas para formar hélices microscópicas, a lo largo del cual crecen las células musculares. Resulta que, cuando las espirales de proteína se estiran, las células musculares simplemente rotan, como pequeños trozos de papel de seda pegados en un slinky.

Guo buscó replicar este natural, elástico, estructura protectora de células como material de tejido artificial. Para hacerlo el equipo primero creó cientos de miles de nanofibras alineadas, usando electrohilado, una técnica que utiliza fuerza eléctrica para hacer girar fibras ultrafinas a partir de una solución de polímero u otros materiales. En este caso, generó nanofibras hechas de materiales biocompatibles como la celulosa.

Luego, el equipo unió fibras alineadas y las retorció lentamente para formar primero una espiral, y luego una bobina aún más apretada, en última instancia, se asemeja a un hilo y mide aproximadamente medio milímetro de ancho. Finalmente, sembraron células vivas a lo largo de cada bobina, incluidas las células musculares, células madre mesenquimales, y células de cáncer de mama humano.

Luego, los investigadores estiraron repetidamente cada bobina hasta seis veces su longitud original, y descubrió que la mayoría de las células de cada bobina permanecían vivas y seguían creciendo a medida que se estiraban las bobinas. Curiosamente, cuando sembraron células más sueltas, estructuras en forma de espiral hechas de los mismos materiales, encontraron que era menos probable que las células permanecieran vivas. Guo dice que la estructura de las bobinas más ajustadas parece "proteger" a las células del daño.

Avanzando, el grupo planea fabricar bobinas similares a partir de otros materiales biocompatibles como la seda, que finalmente podría inyectarse en un tejido lesionado. Las bobinas podrían proporcionar un temporal, andamio flexible para el crecimiento de nuevas células. Una vez que las células reparan con éxito una lesión, el andamio puede disolverse.

"Es posible que algún día podamos incrustar estas estructuras debajo de la piel, y el material [de la bobina] eventualmente se digeriría, mientras las nuevas células se quedan quietas, "Dice Guo." Lo bueno de este método es, es muy general y podemos probar diferentes materiales. Esto puede empujar mucho el límite de la ingeniería de tejidos ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.