Nuevo biomaterial ‘vivo’ impulsa la medicina regenerativa

Los materiales diseñados para replicar tejidos y matrices extracelulares (ECM), incluidas las estructuras biológicas compuestas por proteínas y moléculas que brindan soporte a los tejidos y células, han enfrentado tradicionalmente desafíos que limitan su uso práctico. Para abordar estos problemas, los científicos han desarrollado un nuevo biomaterial que imita mejor ciertas funciones que se encuentran en los tejidos biológicos, lo que hace avanzar campos como la medicina regenerativa, el modelado de enfermedades y la robótica blanda.

Las versiones anteriores del material, un hidrogel hecho de redes de polímeros ricos en agua, que fue desarrollado por investigadores de Penn State (University Park, PA, EUA) eran sintéticas y no lograban combinar la respuesta mecánica necesaria con la capacidad de imitar biológicamente las matrices extracelulares (ECM). En concreto, estos materiales no podían reproducir el endurecimiento por deformación no lineal, un comportamiento clave en las redes de ECM en el que el material se vuelve más rígido cuando es sometido a fuerzas físicas de las células o estímulos externos. Este mecanismo es esencial para proporcionar soporte estructural y permitir la señalización celular. Además, los materiales carecían de las propiedades de autocuración esenciales para la supervivencia y la estructura del tejido. Los hidrogeles sintéticos anteriores tuvieron dificultades para lograr el equilibrio adecuado entre complejidad, biocompatibilidad y las propiedades mecánicas necesarias para imitar eficazmente las ECM.

Para superar estas limitaciones, los investigadores desarrollaron un material acelular (sin células) que imita dinámicamente el comportamiento de las ECM, desempeñando un papel fundamental en la estructura tisular y las funciones celulares. El equipo introdujo hidrogeles vivos nanocompuestos acelulares (LivGels), elaborados a partir de nanopartículas "peludas". Estas nanopartículas, denominadas "nLinkers", están formadas por nanocristales con cadenas de celulosa, o "pelos", en sus extremos. Estas estructuras proporcionan anisotropía, lo que significa que las propiedades de los nLinkers varían según su orientación, y permiten la unión dinámica con redes de biopolímeros. En este caso, las nanopartículas se unieron a una matriz compuesta por alginato modificado, un polisacárido natural derivado de algas pardas.

Los nLinkers forman enlaces dinámicos dentro de la matriz de alginato, lo que permite que el hidrogel exhiba comportamiento de endurecimiento por deformación (imitando la respuesta de la ECM al estrés mecánico) y propiedades de autocuración, que le permiten recuperar su integridad tras sufrir daños. Se utilizaron pruebas reológicas, que evalúan cómo se comportan los materiales bajo estrés, para medir la velocidad a la que los LivGels recuperaron su estructura después de ser sometidos a una gran deformación. Este enfoque de diseño permitió a los investigadores ajustar con precisión las propiedades mecánicas del material para asemejarse estrechamente a las ECM naturales. El material resultante está compuesto en su totalidad por materiales biológicos, evitando polímeros sintéticos que podrían presentar problemas de biocompatibilidad, según lo informado en la revista científica Materials Horizons .

Además de superar las limitaciones de los materiales anteriores, los LivGels logran con éxito comportamientos mecánicos no lineales y características de autocuración sin comprometer la integridad estructural. Los nLinkers permiten un control preciso de la rigidez y las propiedades de refuerzo por deformación del material. Este avance convierte los hidrogeles estáticos tradicionales en hidrogeles dinámicos que replican con mayor precisión las matrices de células madre embrionarias. Las posibles aplicaciones de esta tecnología incluyen el uso como andamiaje para la regeneración de tejidos en medicina regenerativa, la simulación del comportamiento tisular para pruebas de fármacos y la creación de entornos realistas para estudiar la progresión de enfermedades. El equipo también ve un gran potencial en el uso del material para la bioimpresión 3D de hidrogeles personalizables y en el desarrollo de robótica blanda con propiedades mecánicas adaptables.

“Nuestros próximos pasos incluyen optimizar LivGels para tipos de tejidos específicos, explorar aplicaciones in vivo para medicina regenerativa, integrar LivGels con plataformas de bioimpresión 3D e investigar el potencial en dispositivos dinámicos portátiles o implantables”, dijo el autor correspondiente Amir Sheikhi.

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Penn State

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