Los investigadores de Northwestern Engineering han desarrollado un modelo teórico para diseñar materiales blandos que demuestren propiedades oscilantes autónomas que imitan funciones biológicas. El trabajo podría avanzar en el diseño de materiales sensibles utilizados para administrar terapias, así como para materiales blandos similares a robots que operan de forma autónoma.
El diseño y la síntesis de materiales con funciones biológicas requieren un delicado equilibrio entre la forma estructural y la función fisiológica. Durante el desarrollo embrionario, por ejemplo, las láminas planas de células embrionarias se transforman a través de una serie de pliegues en intrincadas estructuras tridimensionales como ramas,tubos y surcos. Estos, a su vez, se convierten en bloques de construcción dinámicos y tridimensionales para los órganos que realizan funciones vitales como los latidos del corazón, la absorción de nutrientes o el procesamiento de información por parte del sistema nervioso.
Sin embargo, estos procesos de formación de formas están controlados por eventos de señalización química y mecánica, que no se comprenden completamente a nivel microscópico. Para cerrar esta brecha, los investigadores dirigidos por Mónica Olvera de la Cruz diseñaron sistemas computacionales y experimentales que imitan estosinteracciones biológicas. Los hidrogeles, una clase de materiales poliméricos hidrófilos, han surgido como candidatos capaces de reproducir cambios de forma tras la estimulación química y mecánica observada en la naturaleza.
Los investigadores desarrollaron un modelo teórico para una capa a base de hidrogel que experimentó cambios morfológicos autónomos cuando fue inducida por reacciones químicas.
"Descubrimos que los productos químicos modificaron el microambiente del gel local, permitiendo el hinchamiento y deshinchamiento de los materiales a través de tensiones quimio-mecánicas de manera autónoma", dijo de la Cruz, profesor abogado Taylor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick.. "Esto generó un cambio morfológico dinámico, incluidas oscilaciones periódicas que recuerdan los latidos del corazón que se encuentran en los sistemas vivos".
Un artículo, titulado "Formación de patrones controlados químicamente en capas elásticas auto-oscilantes", se publicó el 1 de marzo en la revista PNAS . Siyu Li y Daniel Matoz-Fernandez, becarios postdoctorales en el laboratorio de Olvera de la Cruz, fueron los co-primeros autores del artículo.
En el estudio, los investigadores diseñaron una capa polimérica con respuesta química destinada a imitar la materia viva. Aplicaron las propiedades mecánicas a base de agua de la capa de hidrogel a una especie química, una sustancia química que produce un comportamiento modelado específico, en estecaso, oscilaciones en forma de onda - ubicadas dentro de la capa. Después de realizar una serie de reacciones de reducción-oxidación - una reacción química que transfiere electrones entre dos especies químicas - la capa genera microcompartimentos capaces de expandirse o contraerse, o inducir pandeo-comportamiento de desabrochamiento cuando se introdujo la inestabilidad mecánica.
"Acoplamos la respuesta mecánica del hidrogel a los cambios en la concentración de las especies químicas dentro del gel como un circuito de retroalimentación", dijo Matoz-Fernandez. "Si el nivel de sustancias químicas supera un cierto umbral, el agua se absorbe,hinchando el gel. Cuando el gel se hincha, la especie química se diluye, desencadenando procesos químicos que expulsan el agua del gel y, por lo tanto, contraen el gel. "
El modelo de los investigadores podría usarse como base para desarrollar otros materiales blandos que demuestren cambios morfológicos diversos y dinámicos. Esto podría conducir a nuevas estrategias de administración de fármacos con materiales que mejoren la tasa de difusión de sustancias químicas compartimentadas o liberen cargas a tasas específicas.
"En principio, uno podría diseñar microcompartimentos catalíticos que se expandan y contraigan para absorber o liberar componentes a una frecuencia específica. Esto podría conducir a terapias más específicas y basadas en el tiempo para tratar enfermedades", dijo Li.
El trabajo también podría informar el desarrollo futuro de materiales blandos con funcionalidad similar a un robot que operan de forma autónoma. Estos 'robóticos blandos' han surgido como candidatos para apoyar la producción química, herramientas para tecnologías ambientales o biomateriales inteligentes para la medicina. Sin embargo, los materialesdependen de estímulos externos, como la luz, para funcionar.
"Nuestro material funciona de forma autónoma, por lo que no hay ningún control externo involucrado", dijo Li. "Al 'pinchar' el caparazón con una reacción química, se activa el movimiento".
Los investigadores planean aprovechar sus hallazgos y cerrar aún más la brecha entre lo que es posible en la naturaleza y el laboratorio de ciencias.
"El objetivo a largo plazo es crear hidrogeles autónomos que puedan realizar funciones complejas desencadenadas por pistas tan simples como una deformación mecánica local", dijo Olvera de la Cruz.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Northwestern . Original escrito por Alex Gerage. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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