Tejido paradójico de reemplazo para la medicina
Un material que se espesa cuando se tira de él parece contradecir las leyes de la física. Sin embargo, el llamado efecto auxético, que también se produce en la naturaleza, es interesante para una serie de aplicaciones. Un nuevo estudio de Empa publicado recientemente en "Nature Communications" muestra cómo se puede mejorar este asombroso comportamiento, e incluso utilizarlo para tratar lesiones y daños tisulares.
Después del estiramiento, las membranas auxiliares aumentan aproximadamente 10 veces su grosor. (imagen en color)
Empa
La naturaleza nos muestra cómo hacerlo: Una ternera chupando leche de la ubre de una vaca madre utiliza una fascinante propiedad física del pezón, que consiste en un tejido auxético. Paradójicamente, estos tejidos no se estrechan bajo tensión, como una banda elástica, sino que son más anchos y transversales a la dirección de la tracción. Por lo tanto, la leche de vaca puede fluir sin obstáculos a través de la tetina. Los científicos de Empa han demostrado las asombrosas propiedades auxéticas de las membranas de nanofibras desarrolladas específicamente para este propósito. El estudio publicado en "Nature Communications" señala una amplia gama de aplicaciones de los materiales auxiliares, incluyendo el uso de membranas auxiliares para regenerar el tejido humano después de las lesiones.
Hilos extremadamente delicados
Las lesiones cutáneas o el daño tisular a los órganos internos se curan, entre otras cosas, mediante la migración de células que se asientan y forman un tejido sano de reemplazo. Lo que normalmente se hace sin más preámbulos en el caso de, digamos, una pequeña incisión en la punta del dedo puede exceder las posibilidades del cuerpo humano, por ejemplo, cuando se producen heridas complejas, como quemaduras, o cuando se requiere una regeneración tisular más amplia.
Sin embargo, se puede facilitar la regeneración de los tejidos: Si se proporciona un andamio adecuado, las células deseadas se asientan más fácilmente y crecen a lo largo de la estructura predefinida. Los investigadores de Empa en el laboratorio de Membranas Biomiméticas y Textiles en St. Gallen han desarrollado nuevos sistemas matriciales con propiedades auxéticas. Mediante el electrospinning, los polímeros disueltos se hacen girar como filamentos finos en una forma similar a la matriz extracelular humana. Esto permite producir membranas multicapa a partir de nanofibras biocompatibles y que pueden ser implantadas en el cuerpo humano. "Si se utilizan biopolímeros como los ácidos polilácticos en el proceso de hilado, las membranas pueden incluso ser degradadas por el cuerpo", explica el investigador de Empa Giuseppino Fortunato. Además, las sustancias o medicamentos bioactivos pueden ser incorporados en las fibras para una liberación controlada y minimizada.
Atractivo tamaño de poro
Uno de los retos hasta ahora ha sido hacer que el tamaño de los poros de la membrana hilada sea lo más atractivo posible para que las células corporales deseadas se adhieran. En las membranas originales, las roscas de polímero sólo formaban pequeños poros de unos pocos micrómetros. Sin embargo, con sus 20 micrómetros, una célula de tejido que va a colonizar el andamiaje es demasiado grande para encajar perfectamente en la membrana.
Después de que los investigadores optimizaron los parámetros de hilado, se pudo producir una red de polímeros con propiedades sorprendentes: Cuando la membrana fue expuesta a fuerzas de tensión suaves, estirándola en un 10 por ciento, en lugar de volverse más delgada, el material se multiplicó por 5 en volumen e incluso por 10 en grosor. "Un efecto auxético de esta magnitud es casi un récord mundial", dice Alexander Ehret, del laboratorio de Mecánica Experimental de Continuo de Empa. Ehret y su equipo predijeron primero el efecto extraordinario usando modelos mecánicos y lo simularon en la computadora antes de analizar las muestras de membrana experimentalmente. "Hicimos las simulaciones en la computadora varias veces porque los resultados eran tan sorprendentes", dice Ehret. El efecto auxético, que puede cuantificarse matemáticamente por la relación entre la deformación transversal y longitudinal -la relación de Poisson-, se caracteriza por valores negativos de la relación de Poisson. "Hasta ahora, se han alcanzado valores en torno a -20. Nuestros resultados fueron muy inferiores a -100", dice el experto en biomecánica.
Y por supuesto: En los ensayos de tracción, las membranas poliméricas se comportaron como si estuvieran simuladas en el ordenador. El efecto puede explicarse por las fibras que se realinean bajo tensión y, por lo tanto, ejercen presión sobre sus colegas transversales en la red. Dependiendo de su longitud y grosor, las fibras bajo presión son forzadas a doblarse hacia arriba o hacia abajo, lo que conduce a un aumento de volumen.
"Expandir bajo demanda"
Básicamente, las membranas electro-hiladas son adecuadas para el tratamiento de heridas y daños tisulares en lugares tan diversos como la piel, los vasos sanguíneos y los órganos internos, o incluso en lesiones óseas. Una selección adecuada de polímeros y parámetros de hilado optimizados permiten que la membrana del polímero se adapte a las propiedades del tejido diana. "Gracias al mayor volumen causado por el efecto auxético, las estructuras matriciales son ahora aún más atractivas para las células del cuerpo y podrían facilitar el proceso de curación", dice Giuseppino Fortunato.
Además de su uso en biomedicina, el concepto, que ya está pendiente de patente, también se puede aplicar en muchas otras áreas. Según los investigadores, las membranas que pueden activarse por tensión para liberar partículas encerradas, los filtros ajustables o el material de relleno que sólo se expande hasta su volumen final en el punto de uso, es decir, casi "expandirse bajo demanda", son posibles aplicaciones futuras.
La estructura de las nanofibras
La estructura interna de las nanofibras individuales tiene una gran influencia en las propiedades de las membranas. Si las nanofibras son tratadas con ciertos solventes, la estructura de las nanofibras puede ser dilucidada. El investigador de Empa, Alexandre Morel, ha descubierto que la variación de los parámetros de hilado da como resultado diferentes estructuras de fibras, como las fases fibrilar o de shish kebab. En el microscopio electrónico, las estructuras del shish kebab aparecen como capas apiladas que se asemejan a una saliva de kebab. Tienen una gran influencia en las propiedades mecánicas de las membranas y, por lo tanto, también en el efecto auxético.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
S Domaschke, A Morel, G Fortunato and AE Ehret; "Random auxetics from buckling fibre networks"; Nature Communications; 2019
A Morel, SC Oberle, Ulrich, G Yazgan, F Spano, SJ Ferguson, G Fortunato and RM Rossi; "Revealing non-crystalline polymer superstructures within electrospun fibers through solvent-induced phase rearrangements"; Nanoscale; 2019
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