Un equipo de ingenieros de la universidad de Hong Kong desarrolla hidrogeles que imitan el funcionamiento de los tendones

Por la Universidad de Hong Kong

 

Proceso de fabricación del hidrogel anisotrópico que imita el funcionamiento de tendones. Crédito: Universidad de Hong Kong

La reparación o sustitución de tendones o tejidos similares lesionados, que soporten carga, representa uno de los principales desafíos en la medicina clínica. Los tendones naturales son tejidos ricos en agua que exhiben una resistencia mecánica y una durabilidad excepcionales. Sus propiedades mecánicas se deben a sofisticadas estructuras a microescala que involucran fibrillas rígidas de colágeno alineadas en paralelo y entrelazadas con biopolímeros blandos que retienen agua.

En las últimas décadas, los investigadores han estado tratando de utilizar hidrogeles sintéticos, una clase de materiales ricos en agua que involucran redes de polímeros, para replicar las estructuras y propiedades de los tendones naturales. Pero sigue siendo un reto difícil, ya que los hidrogeles sintéticos suelen ser débiles y quebradizos. Si se consigue superar este escollo, se podría disponer de soluciones para aplicar en situaciones críticas en reparación de tejidos, así como en robots biomédicos, dispositivos implantables y muchas otras tecnologías.

Un equipo de investigación dirigido por el Dr. Lizhi Xu del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Hong Kong (HKU) ha desarrollado un nuevo tipo de hidrogel con funcionalidad tendinosa, con propiedades mecánicas sobresalientes que coinciden con las de los tendones naturales, combinadas con multifuncionalidades para aplicaciones biomédicas.

La investigación fue publicada en Science Advances, en un artículo titulado "Multifunctional tendon-mimetic hydrogels ". La investigación también se publicó en Nature como Research Highlight.

En este estudio, las nanofibras de aramida derivadas de Kevlar, un material polimérico utilizado en chalecos antibalas y cascos, se mezclaron con alcohol polivinílico, otro polímero sintético, para la construcción de hidrogeles que imitan la funcionalidad de los tendones. Con la tensión de tracción aplicada durante el proceso de fabricación, las nanofibras de aramida se alinearon entre sí de acuerdo con la dirección de estiramiento, dando lugar a una red anisotrópica que imita las características estructurales de los tendones naturales.

Las interacciones entre las nanofibras rígidas y los polímeros blandos confieren además una alta resistencia mecánica a los compuestos. Este hidrogel consiste en un 60% de agua, mientras que muestra un excelente módulo de Young de ~ 1 GPa y una fuerza de ~ 80 MPa, superando a otros hidrogeles sintéticos en órdenes de magnitud. Es posible conferir funciones adicionales a la superficie de los hidrogeles de forma que puedan dirigir el comportamiento de las células o integrarse con sensores bioelectrónicos blandos.

"Desarrollamos una plataforma de materiales biomiméticos para aplicaciones biomédicas avanzadas. Los materiales utilizados para su construcción presentan muchas de las características estructurales de los tendones naturales, con propiedades sorprendentes que no han podido conseguirse con otros hidrogeles sintéticos ", explicaba el Dr. Xu, y agregaba que "estos hidrogeles no solo son mecánicamente fuertes, sino que además controlan su funcionalidad a través de moléculas bioactivas y sensores electrónicos blandos, proporcionando capacidades críticas para la reparación de tejidos y para dispositivos médicos implantables".

More information: Mingze Sun et al, Multifunctional tendon-mimetic hydrogels, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade6973

Nature Research Highlight: www.nature.com/articles/d41586-023-00492-5

Journal information: SienceAdvances, Nature