{"id":1236,"date":"2021-06-04T10:00:35","date_gmt":"2021-06-04T09:00:35","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/?p=1236"},"modified":"2021-06-04T10:00:35","modified_gmt":"2021-06-04T09:00:35","slug":"fabricacion-de-hidrogeles-que-se-parecen-a-tendones","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/2021\/06\/04\/fabricacion-de-hidrogeles-que-se-parecen-a-tendones\/","title":{"rendered":"Fabricaci\u00f3n de hidrogeles que se parecen a tendones."},"content":{"rendered":"\n

Un art\u00edculo reciente de la revista Nature<\/em> explica la fabricaci\u00f3n de estructuras artificiales basadas en hidrogeles(1) que se parecen a los tendones.<\/p>\n\n\n\n

Comienzan el art\u00edculo con un detalle que a menudo se pasa por alto: los materiales de origen biol\u00f3gico, como madera, n\u00e1cares, etc. tienen propiedades f\u00edsica que son incompatibles entre s\u00ed. Lo mismo pasa con tejidos vivos: los m\u00fasculos y tendones son fuertes y blandos a la vez. Esta aparente contradicci\u00f3n, no conocemos materiales artificiales que sean a la vez duros y blandos, se produce por un fen\u00f3meno muy particular: la presencia de estructuras jer\u00e1rquicas multiescala.<\/p>\n\n\n\n

\u00abEstructuras jer\u00e1rquicas multiescala\u00bb es un concepto algo dif\u00edcil de definir. Una estructura jer\u00e1rquica es cualquier construcci\u00f3n cuyo resultado final sea completamente dependiente de las formas de los elementos m\u00e1s peque\u00f1os empleados. Por ejemplo, el plegamiento de las prote\u00ednas es una estructura jer\u00e1rquica: la forma final de la prote\u00edna depende por completo de la forma de los elementos qu\u00edmicos y sus mol\u00e9culas y de c\u00f3mo se organizan. Si es multiescala, entonces quiere decir que cada nivel de esta estructura tiene una escala caracter\u00edstica de longitud distinta. As\u00ed, por ejemplo los tendones son estructuras jer\u00e1rquicas multiescala porque su forma final depende por completo de las diversas estructuras que lo forman, y adem\u00e1s las longitudes caracter\u00edsticas de cada nivel son distintivas: El tejido total es macrosc\u00f3pico, con longitudes caracter\u00edsticas de mm o cm, a su vez las diversas membranas que lo forman tiene longitudes caracter\u00edstica del orden de los 10-2<\/sup> – 10-3<\/sup> mm, etc.<\/p>\n\n\n\n

Pues bien, el art\u00edculo dice que comparado con materiales biol\u00f3gicos que soportan carga, como los tendones(2), los hidrogeles normales son d\u00e9biles y fr\u00e1giles. S\u00f3lo pensando el n\u00famero de a\u00f1os que los tendones humanos funcionan razonablemente bien, es algo muy claro. Contin\u00faa el art\u00edculo hablando de los diversos m\u00e9todos que se han empleado para poder hacer los hidrogeles mejores materiales para su uso humano, es decir, lograr materiales m\u00e1s duros y resistentes en el tiempo. Los investigadores explican que los m\u00e9todos empleados hasta ahora se pod\u00edan dividir en dos grupos: aquellos que manten\u00edan la estructura del hidrogel sin grandes modificaciones, que modificaban sus propiedades mediante la adici\u00f3n de part\u00edculas o qu\u00edmicos al hidrogel, y los que creaban estructuras anis\u00f3tropas(3). Algunos de los m\u00e9todos para crear estas estructuras son relativamente sencillos de implementar, como congelarlos sometidos a una tensi\u00f3n en una direcci\u00f3n predeterminada. <\/p>\n\n\n\n

Pero estos dos m\u00e9todos alteran la estructura del hidrogel a una sola escala y adem\u00e1s, producen materiales mejores que los de partida s\u00f3lo a veces. De hecho, sigue siendo dif\u00edcil poder hacer hidrogeles con caracter\u00edsticas estructurales y materiales similares a los materiales biol\u00f3gicos como los tendones cuya fabricaci\u00f3n sea sencilla.<\/p>\n\n\n\n

Los investigadores del art\u00edculo decidieron usar una combinaci\u00f3n de m\u00e9todos para desarrollar su hidrogel: por una lado, la adici\u00f3n de sales a la composici\u00f3n del hidrogel altera los posibles estados de agregaci\u00f3n del material, y combinado con congelado direccional del material previo, obtuvieron estructuras cuya forma final depende de las estructuras m\u00e1s peque\u00f1as, y que adem\u00e1s tiene diversas longitudes caracter\u00edsticas: estructuras jer\u00e1rquicas multiescala; como los materiales biol\u00f3gicos.<\/p>\n\n\n\n

El m\u00e9todo que emplearon y el resultado se puede observar en la figura siguiente:<\/p>\n\n\n\n

\"Fabricaci\u00f3n
Fabricaci\u00f3n de un hidrogel similar al tend\u00f3n biol\u00f3gico. La parte superior explica los diversos pasos que se siguen y su resultado, mientras que en la inferior se observan las diversas jerarqu\u00edas de la estructura del material. En b<\/strong>, la estructura macrosc\u00f3pica; comparada adem\u00e1s con un tend\u00f3n real, en c<\/strong> la microsc\u00f3pica y en d<\/strong> y e las estructuras a escalas nanom\u00e9tricas. Las barras de escalas tienen de longitud: b<\/strong>, 5 mm; c<\/strong>, 50 \u00b5m; d<\/strong>, 1 \u00b5m; e<\/strong>, 500 nm. De la fig. (1<\/span>) del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Usando un pol\u00edmero de alcohol vin\u00edlico como base del hidrogel, obtuvieron resultados para el hidrogel muy buenos, por lo que se centraron en este producto qu\u00edmico como precursor. A la hora de formar la estructura que deseaban, los autores entend\u00edan que el congelado direccional del pol\u00edmero permit\u00eda formar las paredes m\u00e1s \u00abgrandes\u00bb, mientras que el uso de la sal induc\u00eda la formaci\u00f3n de las nanofibras. Para comprobarlo, prepararon materiales en los que se saltaron algunos de los pasos y los resultados obtenidos confirmaron las ideas que ten\u00edan sobre la formaci\u00f3n de su hidrogel.<\/p>\n\n\n\n

La figura siguiente muestra las estructuras finales obtenidas y su resistencia al estiramiento, donde se observa con claridad que las mejores propiedades mec\u00e1nicas, la elongaci\u00f3n (21 mm \/ mm) y la energ\u00eda de ruptura (~131 kJ \/ m2<\/sup>) m\u00e1s grandes son las del material formado con la combinaci\u00f3n de los dos pasos de congelamiento direccional seguido del uso de la sal.<\/p>\n\n\n\n

\"Estructuras
Estructuras formadas seg\u00fan diversos m\u00e9todos de fabricaci\u00f3n (arriba) y ensayos de tracci\u00f3n (abajo). El valor num\u00e9rico dentro de las gr\u00e1ficas se corresponde con la energ\u00eda de ruptura por unidad de \u00e1rea.
El hidrogel a<\/strong> es el mejor de los tres y sigue los pasos de congelaci\u00f3n direccional y a\u00f1adido de sal. El b<\/strong> no tiene una direcci\u00f3n preferente de congelamiento pero a\u00f1aden la sal y en el c<\/strong>, congelan y descongelan en una direcci\u00f3n preferente 3 veces sin a\u00f1adir sales. Adaptado de la figura 3<\/span> del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Adem\u00e1s, como la figura demuestra, el congelamiento direccional es el responsable de las estructuras m\u00e1s grandes, mientras que a\u00f1adir la sal genera en el material las nanofibras m\u00e1s peque\u00f1as, como los investigadores sospechaban bas\u00e1ndose en resultados anteriores.<\/p>\n\n\n\n

Estudios mec\u00e1nicos y estructurales sobre el material demostraron caracter\u00edsticas muy similares las del tend\u00f3n: 1) su respuesta a la tracci\u00f3n es muy asim\u00e9trica porque es mucho m\u00e1s alta en una direcci\u00f3n que en la perpendicular, 2) adem\u00e1s de su alta resistencia a la aparici\u00f3n de fallos y 3) un modo de romperse, en fibras que se van desprendiendo, t\u00edpico de materiales muy anis\u00f3tropos. De hecho, en los materiales suplementarios del art\u00edculo muestran la figura siguiente, donde en una comparaci\u00f3n visual de un tend\u00f3n natural con su hidrogel se observan las similitudes:<\/p>\n\n\n\n

\"Comparaci\u00f3n
Comparaci\u00f3n de la estructura del tend\u00f3n natural, abajo, frente al hidrogel creado por los investigadores, arriba, a distintas escalas espaciales. La similitud a escalas mili y microm\u00e9trica contrasta con las grandes diferencias a escala nanom\u00e9trica, debidas sobre todo a la muy diferente composici\u00f3n de uno y otro. De la fig. suplementaria 1 <\/span>del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Contin\u00faa el art\u00edculo explicando de manera m\u00e1s 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 despu\u00e9s una secci\u00f3n a describir las diversas caracter\u00edsticas que pueden obtener seg\u00fan la concentraci\u00f3n de pol\u00edmero de alcohol en la mezcla gaseosa inicial y comprobar hasta que punto el material puede estirarse y encogerse varias veces y c\u00f3mo estos ciclos no alteraban apenas las propiedades del hidrogel, encontrando que manten\u00eda un grado bastante alto de reversibilidad despu\u00e9s de diez ciclos.<\/p>\n\n\n\n

Posteriormente emplearon gelatina y alginato como material base para el hidrogel, ambos materiales m\u00e1s biocompatibles que el alcohol inicial, comprobando que en todos los casos la fabricaci\u00f3n mediante congelamiento dirigido y posterior a\u00f1adido de sal mejoraba las propiedades del hidrogel resultante. La gelatina con estructura de tend\u00f3n aument\u00f3 la dureza respecto a su hidrogel cerca de 1.000 veces m\u00e1s, al pasar de 0,0075 a ~12 Mj\/m3<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

Como conclusi\u00f3n final, los investigadores dicen que han demostrado un nuevo sistema de fabricaci\u00f3n de hidrogeles que permitir\u00e1 su uso en m\u00faltiples aplicaciones m\u00e9dicas y de otro tipo. Mi corazoncito cienciaficcionero no puede menos que pensar que ya estamos m\u00e1s cerca de hacer c\u00edborgs con tendones muy similares a los humanos, o incluso sustitutos de los que se nos gasten a nosotros, aunque desde luego a\u00fan hay muchos pasos que dar hasta llegar a algo as\u00ed. Este art\u00edculo es s\u00f3lo la puerta que abre estas posibles aplicaciones.<\/p>\n\n\n\n

El art\u00edculo original se public\u00f3 en la revista Nature, vol. 590: Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Notas:<\/h4>\n\n\n\n

(1) Un hidrogel es un material que est\u00e1 compuesto en su mayor parte de agua, \u00abatrapada\u00bb en una estructura formada por otras sustancias con propiedades muy interesantes: suele ser biocompatible, la absorci\u00f3n y liberaci\u00f3n del agua en su interior es reversible, etc. El art\u00edculo de la Wikipedia en espa\u00f1ol est\u00e1 bastante bien: Wiki:Hidrogel.<\/a><\/p>\n\n\n\n

(2) Desde el punto de vista de la mec\u00e1nica estructural, los tendones son los materiales que soportan las cargas (fuerzas) que el m\u00fasculo produce sobre el hueso para mover el cuerpo.<\/p>\n\n\n\n

(3) Las estructuras anis\u00f3tropas son estructuras cuyas propiedades cambian seg\u00fan la direcci\u00f3n desde la que se observen.<\/p>\n\n\n\n

(4) Una sal cosmotr\u00f3pica es aquella que a\u00f1adida al agua aumenta su capacidad de generar estructuras al favorecer las interacciones entre mol\u00e9culas de agua. En la Wikipedia en ingl\u00e9s lo explican bastante bien: Wiki:Kosmotropic<\/a>.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Un art\u00edculo reciente de la revista Nature explica la fabricaci\u00f3n de estructuras artificiales basadas en hidrogeles(1) que se parecen a los tendones. Comienzan el art\u00edculo con un detalle que a menudo se pasa por alto: los materiales de origen biol\u00f3gico, como madera, n\u00e1cares, etc. tienen propiedades f\u00edsica que son incompatibles entre s\u00ed. Lo mismo pasa … Continuar leyendo \u00abFabricaci\u00f3n de hidrogeles que se parecen a tendones.\u00bb<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":378,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[2],"tags":[30,35],"class_list":["post-1236","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-articulo-interesantes","tag-hidrogeles","tag-materiales"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1236","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/users\/378"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1236"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1236\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1236"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1236"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1236"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}