Un artículo reciente de la revista Nature explica la fabricación de estructuras artificiales basadas en hidrogeles(1) que se parecen a los tendones.
Comienzan el artículo con un detalle que a menudo se pasa por alto: los materiales de origen biológico, como madera, nácares, etc. tienen propiedades física que son incompatibles entre sí. Lo mismo pasa con tejidos vivos: los músculos y tendones son fuertes y blandos a la vez. Esta aparente contradicción, no conocemos materiales artificiales que sean a la vez duros y blandos, se produce por un fenómeno muy particular: la presencia de estructuras jerárquicas multiescala.
«Estructuras jerárquicas multiescala» es un concepto algo difícil de definir. Una estructura jerárquica es cualquier construcción cuyo resultado final sea completamente dependiente de las formas de los elementos más pequeños empleados. Por ejemplo, el plegamiento de las proteínas es una estructura jerárquica: la forma final de la proteína depende por completo de la forma de los elementos químicos y sus moléculas y de cómo se organizan. Si es multiescala, entonces quiere decir que cada nivel de esta estructura tiene una escala característica de longitud distinta. Así, por ejemplo los tendones son estructuras jerárquicas multiescala porque su forma final depende por completo de las diversas estructuras que lo forman, y además las longitudes características de cada nivel son distintivas: El tejido total es macroscópico, con longitudes características de mm o cm, a su vez las diversas membranas que lo forman tiene longitudes característica del orden de los 10-2 – 10-3 mm, etc.
Pues bien, el artículo dice que comparado con materiales biológicos que soportan carga, como los tendones(2), los hidrogeles normales son débiles y frágiles. Sólo pensando el número de años que los tendones humanos funcionan razonablemente bien, es algo muy claro. Continúa el artículo hablando de los diversos métodos que se han empleado para poder hacer los hidrogeles mejores materiales para su uso humano, es decir, lograr materiales más duros y resistentes en el tiempo. Los investigadores explican que los métodos empleados hasta ahora se podían dividir en dos grupos: aquellos que mantenían la estructura del hidrogel sin grandes modificaciones, que modificaban sus propiedades mediante la adición de partículas o químicos al hidrogel, y los que creaban estructuras anisótropas(3). Algunos de los métodos para crear estas estructuras son relativamente sencillos de implementar, como congelarlos sometidos a una tensión en una dirección predeterminada.
Pero estos dos métodos alteran la estructura del hidrogel a una sola escala y además, producen materiales mejores que los de partida sólo a veces. De hecho, sigue siendo difícil poder hacer hidrogeles con características estructurales y materiales similares a los materiales biológicos como los tendones cuya fabricación sea sencilla.
Los investigadores del artículo decidieron usar una combinación de métodos para desarrollar su hidrogel: por una lado, la adición de sales a la composición del hidrogel altera los posibles estados de agregación del material, y combinado con congelado direccional del material previo, obtuvieron estructuras cuya forma final depende de las estructuras más pequeñas, y que además tiene diversas longitudes características: estructuras jerárquicas multiescala; como los materiales biológicos.
El método que emplearon y el resultado se puede observar en la figura siguiente:
Usando un polímero de alcohol vinílico como base del hidrogel, obtuvieron resultados para el hidrogel muy buenos, por lo que se centraron en este producto químico como precursor. A la hora de formar la estructura que deseaban, los autores entendían que el congelado direccional del polímero permitía formar las paredes más «grandes», mientras que el uso de la sal inducía la formación de las nanofibras. Para comprobarlo, prepararon materiales en los que se saltaron algunos de los pasos y los resultados obtenidos confirmaron las ideas que tenían sobre la formación de su hidrogel.
La figura siguiente muestra las estructuras finales obtenidas y su resistencia al estiramiento, donde se observa con claridad que las mejores propiedades mecánicas, la elongación (21 mm / mm) y la energía de ruptura (~131 kJ / m2) más grandes son las del material formado con la combinación de los dos pasos de congelamiento direccional seguido del uso de la sal.
El hidrogel a es el mejor de los tres y sigue los pasos de congelación direccional y añadido de sal. El b no tiene una dirección preferente de congelamiento pero añaden la sal y en el c, congelan y descongelan en una dirección preferente 3 veces sin añadir sales. Adaptado de la figura 3 del artículo citado.
Además, como la figura demuestra, el congelamiento direccional es el responsable de las estructuras más grandes, mientras que añadir la sal genera en el material las nanofibras más pequeñas, como los investigadores sospechaban basándose en resultados anteriores.
Estudios mecánicos y estructurales sobre el material demostraron características muy similares las del tendón: 1) su respuesta a la tracción es muy asimétrica porque es mucho más alta en una dirección que en la perpendicular, 2) además de su alta resistencia a la aparición de fallos y 3) un modo de romperse, en fibras que se van desprendiendo, típico de materiales muy anisótropos. De hecho, en los materiales suplementarios del artículo muestran la figura siguiente, donde en una comparación visual de un tendón natural con su hidrogel se observan las similitudes:
Continúa el artículo explicando de manera más detallada como trataron de entender el papel de cada estructura en el comportamiento final de su nuevo hidrogel, con los resultados principales ya comentados anteriormente. Dedican después una sección a describir las diversas características que pueden obtener según la concentración de polímero de alcohol en la mezcla gaseosa inicial y comprobar hasta que punto el material puede estirarse y encogerse varias veces y cómo estos ciclos no alteraban apenas las propiedades del hidrogel, encontrando que mantenía un grado bastante alto de reversibilidad después de diez ciclos.
Posteriormente emplearon gelatina y alginato como material base para el hidrogel, ambos materiales más biocompatibles que el alcohol inicial, comprobando que en todos los casos la fabricación mediante congelamiento dirigido y posterior añadido de sal mejoraba las propiedades del hidrogel resultante. La gelatina con estructura de tendón aumentó la dureza respecto a su hidrogel cerca de 1.000 veces más, al pasar de 0,0075 a ~12 Mj/m3.
Como conclusión final, los investigadores dicen que han demostrado un nuevo sistema de fabricación de hidrogeles que permitirá su uso en múltiples aplicaciones médicas y de otro tipo. Mi corazoncito cienciaficcionero no puede menos que pensar que ya estamos más cerca de hacer cíborgs con tendones muy similares a los humanos, o incluso sustitutos de los que se nos gasten a nosotros, aunque desde luego aún hay muchos pasos que dar hasta llegar a algo así. Este artículo es sólo la puerta que abre estas posibles aplicaciones.
El artículo original se publicó en la revista Nature, vol. 590: Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out.
Notas:
(1) Un hidrogel es un material que está compuesto en su mayor parte de agua, «atrapada» en una estructura formada por otras sustancias con propiedades muy interesantes: suele ser biocompatible, la absorción y liberación del agua en su interior es reversible, etc. El artículo de la Wikipedia en español está bastante bien: Wiki:Hidrogel.
(2) Desde el punto de vista de la mecánica estructural, los tendones son los materiales que soportan las cargas (fuerzas) que el músculo produce sobre el hueso para mover el cuerpo.
(3) Las estructuras anisótropas son estructuras cuyas propiedades cambian según la dirección desde la que se observen.
(4) Una sal cosmotrópica es aquella que añadida al agua aumenta su capacidad de generar estructuras al favorecer las interacciones entre moléculas de agua. En la Wikipedia en inglés lo explican bastante bien: Wiki:Kosmotropic.