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| Cuando se aplica el voltaje, el material (izquierda) se doblará lentamente hacia el hueso de pollo (blanco). Si el líquido contiene los minerales necesarios para el desarrollo óseo, el material empezará, en el espacio de unos días, a construir un hueso artificial que se adhiere al hueso de pollo. Crédito: Olov Planthaber/LiU |
Investigadores de las universidades de Linköping (Suecia) y Okayama (Japón) han desarrollado una combinación de materiales que puede adoptar diversas formas antes de endurecerse. Al principio es blando, pero luego se endurece mediante un proceso de desarrollo óseo que utiliza los mismos materiales que se encuentran en el esqueleto.
El material está inspirado en el tejido de la fontanela que permite que los cráneos de los bebés sean blandos y flexibles cuando pasan por el canal de parto y luego se transforman gradualmente en hueso duro poco después del nacimiento.
Los investigadores construyeron una especie de microrobot sencillo, que puede adoptar diferentes formas y cambiar de rigidez. Comenzaron con un material de hidrogel llamado alginato. En una de las caras del gel, se cultiva un polímero electroactivo llamado polipirrol (PPy). Este material cambia su volumen cuando se aplica un voltaje bajo, lo que hace que el microrobot se doble en una dirección determinada.
En el otro lado del gel, los investigadores adhirieron biomoléculas -conocidas como nanofragmentos de membrana plasmática derivados de células (PMNF)- que permiten que el material blando del gel se endurezca como un hueso. Estas biomoléculas se extraen de la membrana celular de un tipo de célula importante para el desarrollo de los huesos. Cuando el material se sumerge en un medio de cultivo celular -un entorno que se asemeja al cuerpo y contiene calcio y fósforo- las biomoléculas hacen que el gel se mineralice y endurezca como un hueso.
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| El material negro es un polímero electroactivo, cuyo volumen cambia cuando los investigadores aplican un bajo voltaje, lo que hace que este sencillo "microrobot" se doble. En el otro lado del material, se puede ver el gel al que los investigadores han unido biomoléculas que permiten que el material de gel blando se endurezca como un hueso. Crédito: Olov Planthaber/LiU |
Haciendo patrones en el gel, los investigadores pueden determinar cómo se doblará el sencillo microrobot cuando se le aplique un voltaje. Las líneas perpendiculares en la superficie del material hacen que el robot se doble en un semicírculo, mientras que las líneas diagonales hacen que se doble como un sacacorchos.
Una posible aplicación de interés para los investigadores es la curación de huesos. La idea es que el material blando, impulsado por el polímero electroactivo, sea capaz de maniobrar en espacios de fracturas óseas complicadas y expandirse. Cuando el material se endurezca, podrá formar la base para construir nuevos huesos. En su estudio, los investigadores demuestran que el material puede envolverse en los huesos de los pollos, y el hueso artificial que se desarrolla posteriormente crece junto con el hueso del animal. Los actuadores biohíbridos de rigidez variable desarrollados pueden utilizarse en (micro)robótica blanda y como posibles herramientas para la reparación de huesos o la ingeniería de tejidos óseos.
"Controlando la forma en que gira el material, podemos hacer que el microrobot se mueva de diferentes maneras, y también afectar a cómo se despliega el material en los huesos rotos. Podemos incrustar estos movimientos en la estructura del material, haciendo innecesarios los complejos programas para dirigir estos robots", dice Edwin Jager.
Para saber más sobre la biocompatibilidad de esta combinación de materiales, los investigadores están estudiando ahora cómo funcionan sus propiedades junto con las células vivas.
Fuentes, créditos y referencias:
Danfeng Cao et al, Biohybrid Variable‐Stiffness Soft Actuators that Self‐Create Bone, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002/adma.202107345
Fuente: Universidad de Linköping