Un hidrogel que se comporta como el cartílago

En el campo de la bioingeniería, los hidrogeles son considerados como materiales multiuso. Consisten en redes de polímeros hidrófilos entrelazados y suelen ser blandos, biocompatibles y muy absorbentes. Se pueden utilizar como cápsulas para la aplicación controlada de fármacos, como películas delgadas en las lentes de contacto e incluso como sensores en los alcoholímetros.

En la ingeniería de tejidos (o medicina regenerativa), los hidrogeles se usan a menudo como soportes para las células que van a reemplazar los tejidos. Ahora Takuzo Aida, Yasuhiro Ishida (ambos del instituto de investigación RIKEN de Japón) y Takayoshi Sasaki (Instituto Nacional de Ciencias de Materiales de Japón) y sus equipos de investigadores han diseñado un hidrogel que puede hacer las funciones del tejido mismo.

Vista del cartílago articular (articular cartilage) de la articulación
del codo. [Imagen original de Anatomist90 (Own work) 
[CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons]

El nuevo material se comporta como el cartílago articular que lubrica las articulaciones: puede soportar una carga pesada a lo largo de una dirección, a la vez que estirarse y deformarse con facilidad en las otras. En el cartílago real, el comportamiento lubricante es el resultado de la interacción compleja entre las células, las fibras de colágeno y una multitud de proteínas extracelulares. En la versión sintética, es el producto de una receta más sencilla: los investigadores mezclaron copos de óxido de titanio en una solución de moléculas precursoras del hidrogel y lo sometieron al campo intenso de un imán superconductor, que hizo el resto.

Un hidrogel de este tipo se prepara mediante un proceso de cuatro pasos. Se mezclan nanohojas de óxido de titanio con una solución de moléculas precursoras del hidrogel; se aplica un campo magnético que orienta las hojas en capas espaciadas de forma regular; las moléculas precursoras se polimerizan para envolver las nanohojas en una matriz de hidrogel; finalmente, se quita el campo magnético. La repulsión culombiana entre las nanohojas cargadas negativamente endurece el material en la dirección normal a las capas, pero permite que se pueda estirar y deformar fácilmente a lo largo del plano de las capas.

Sin embargo, para que pueda llegar a ser una solución viable como sustituto del cartílago, el nuevo hidrogel tendrá que verificar que es capaz de soportar ciclos de carga mucho más duros que los que se usaron en las mediciones preliminares de los investigadores. Y dado que el mecanismo que hace posible el comportamiento anisótropo del material depende de interacciones electrostáticas, se debería estar seguro de que sus propiedades se mantendrían en el entorno altamente iónico del interior del cuerpo. De momento, Aida y sus colaboradores han demostrado que, después de una semana inmerso en suero fisiológico, el hidrogel retiene sus propiedades estructurales y mecánicas.

El equipo de investigadores también considera que el hidrogel podría usarse como aislador de vibraciones. La anisotropía mecánica del material hace que la energía vibracional se concentre en modos paralelos a las capas de titanato. Como experimento de prueba, pusieron un plato de cristal equilibrado sobre pilares de hidrogel que se apoyaban a su vez sobre una mesa que podía oscilar mecánicamente. Cuando el eje rígido del hidrogel está alineado verticalmente, el plato permanece nivelado, incluso si tiembla la mesa. Cuando se cambian los pilares por un hidrogel más convencional, el plato se tambalea y la esfera que estaba encima para verificar el equilibrio se cae.

Esta capacidad de aislar las vibraciones es especialmente relevante y prometedora para países que suelen sufrir terremotos, como Japón, país de origen de los investigadores.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/3/10.1063/PT.3.2707