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Ingeniería molecular de la piezoelectricidad en conjuntos de péptidos que imitan el colágeno
Un nuevo desarrollo nanotecnológico promete dejar obsoletas las pilas de los marcapasos y hacer posible que los coches que circulan por la calle enciendan las farolas.
Un equipo internacional de investigación dirigido por investigadores de la Universidad de Tel Aviv hará posible generar corrientes eléctricas y voltaje dentro del cuerpo humano mediante la activación de diversos órganos (fuerza mecánica).
El desarrollo implica un nuevo material biológico muy resistente, similar al colágeno, que no es tóxico y no causa ningún daño a los tejidos del cuerpo. Esta innovación nanotecnológica tiene muchas aplicaciones potenciales en medicina, como la recolección de energía limpia para hacer funcionar dispositivos implantados en el cuerpo (como marcapasos) a través de los movimientos naturales del cuerpo, eliminando la necesidad de baterías.
El director del proyecto, el profesor Ehud Gazit, dijo que han encontrado un sustituto del colágeno, la proteína más frecuente en el cuerpo humano, que es útil en muchas aplicaciones.
"Usamos medios nanotecnológicos para diseñar un nuevo material biológico, un tripéptido -una molécula muy corta llamada Hyp-Phe-Phe que consta de sólo tres aminoácidos- capaz de un sencillo proceso de autoensamblaje de formar una estructura helicoidal parecida al colágeno que es flexible y ostenta una resistencia similar a la del metal titanio.
"En el presente estudio, tratamos de examinar si el nuevo material que desarrollamos presenta otro rasgo que caracteriza al colágeno: la piezoelectricidad. La piezoelectricidad es la capacidad de un material de generar corrientes eléctricas y voltaje como resultado de la aplicación de una fuerza mecánica, o viceversa, de crear una fuerza mecánica como resultado de la exposición a un campo eléctrico".
En el estudio, los investigadores crearon estructuras nanométricas del material diseñado y, con la ayuda de herramientas nanotecnológicas avanzadas, aplicaron presión mecánica sobre ellas. El experimento reveló que el material produce efectivamente corrientes eléctricas y voltaje como resultado de la presión. Además, las diminutas estructuras de sólo cientos de nanómetros demostraron uno de los niveles más altos de capacidad piezoeléctrica jamás descubiertos, comparable o superior al de los materiales piezoeléctricos que se encuentran habitualmente en el mercado actual (la mayoría de los cuales contienen plomo y, por tanto, no son adecuados para aplicaciones médicas).
El descubrimiento de una piezoelectricidad de esta magnitud en un material nanométrico es de gran importancia, ya que demuestra la capacidad del material diseñado para servir como una especie de motor diminuto para dispositivos muy pequeños.
El profesor Gazit añade: "La mayoría de los materiales piezoeléctricos que conocemos hoy en día son materiales tóxicos a base de plomo, o polímeros, lo que significa que no son respetuosos con el medio ambiente ni con el cuerpo humano. Nuestro nuevo material, sin embargo, es completamente biológico y, por tanto, apto para su uso dentro del cuerpo. Por ejemplo, un dispositivo fabricado con este material podría sustituir a una batería que suministra energía a implantes como los marcapasos, aunque debería sustituirse de vez en cuando. Los movimientos corporales -como los latidos del corazón, los movimientos de la mandíbula, los movimientos intestinales o cualquier otro movimiento que se produzca en el cuerpo de forma habitual- cargarán de electricidad el dispositivo, que activará continuamente el implante".
En esta fase, la atención se centra en el desarrollo de dispositivos médicos, pero el profesor Gazit subraya que "los materiales piezoeléctricos respetuosos con el medio ambiente, como el que hemos desarrollado, tienen un enorme potencial en una amplia gama de áreas porque producen energía verde utilizando la fuerza mecánica que se está utilizando de todos modos. Por ejemplo, un coche que circule por la calle puede encender las farolas. Estos materiales también pueden sustituir a los materiales piezoeléctricos que contienen plomo, cuyo uso está muy extendido en la actualidad, pero que suscita la preocupación por la fuga de metales tóxicos al medio ambiente".
En el estudio también han participado investigadores del Instituto Weizmann y de varios institutos de investigación de Irlanda, China y Australia.
Fuentes, créditos y referencia:
Más información: Santu Bera et al, Ingeniería molecular de la piezoelectricidad en conjuntos de péptidos que imitan el colágeno, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-22895-6