1: Resumen de biomateriales

La biología se está utilizando ahora para hacer frente a los desafíos de la ingeniería, ya que los materiales derivados de la biología ofrecen propiedades clave que los materiales artificiales no pueden. Los materiales bioderivados, a veces llamados biomateriales, se crean a partir de organismos vivos o que alguna vez estuvieron vivos. Estos materiales han ganado popularidad recientemente, ya que son biocompatibles y pueden actuar como matrices que pueden albergar biomoléculas y células. Este video presentará varios materiales bioderivados e introducirá técnicas y desafíos comunes en el campo.

Hay muchos polímeros de origen biológico, o biopolímeros, que se utilizan en la investigación en bioingeniería. En primer lugar, el colágeno es un polímero proteico ampliamente utilizado que se deriva de la piel, el tendón y el hueso bovino e incluso de las colas de rata. Las fibras de colágeno poseen una estructura de triple hélice que le da al material resistencia y rigidez. Debido a esta propiedad, el colágeno se usa a menudo como un componente estructural de las construcciones de tejidos diseñados, especialmente en el hueso y la piel como el tejido artificial. Otro polímero proteico común es la seda, que se deriva del capullo de las larvas de la polilla de la seda. La estructura secundaria de esta proteína tiene vastas regiones cristalinas de láminas beta que permiten una alta resistencia y flexibilidad. Al igual que con el colágeno, la seda se usa a menudo como componente estructural del tejido artificial, generalmente en tejido flexible como la piel y el músculo. Sin embargo, la seda también se funde como una película delgada para dispositivos ópticos, así como sustratos de dispositivos eléctricos. El quitosano, otro biopolímero, es el polisacárido derivado de caparazones de crustáceos como cangrejos o langostas. La solubilidad del polímero se basa en el pH. Esto permite un control sencillo de los procesos de fabricación al aumentar el pH para solidificar el material. El quitosano se usa a menudo en la cicatrización de heridas mediante la creación de una película que es biocompatible con la regeneración del tejido.

Ahora echemos un vistazo a algunos de los principales métodos utilizados para manipular estos biomateriales. En primer lugar, los biomateriales a menudo se moldean como un hidrogel para crear una estructura altamente hidrofílica con una mayor biocompatibilidad. Un hidrogel es una red polimérica de tipo sólido con un alto contenido de agua y, a menudo, se usa como una construcción de tejido en tejido artificial. Para hacer un hidrogel con colágeno, primero calienta el polímero en una solución acuosa, como un medio de crecimiento, y luego echa la solución en un molde. A continuación, la solución se enfría hasta que se solidifique. La reticulación UV también se puede utilizar para mejorar la estabilidad del gel al unir covalentemente los residuos en las cadenas poliméricas. Alternativamente, las perlas de hidrogel se pueden formar agregando la solución de polímero gota a gota a una solución de reticulación. Las perlas se utilizan para estabilizar las células en proteínas. Los biomateriales también se pueden utilizar para formar esteras fibrosas mediante electrohilado. Esta técnica se realiza mediante la aplicación de un campo eléctrico entre la superficie de un colector y la punta de una jeringa que contiene solución de biopolímero. Esto induce la formación de fibras a microescala que luego crean estructuras que imitan la matriz extracelular en el tejido. Alternativamente, las películas delgadas de biomaterial se pueden preparar mediante electrodeposición. Para ello, se aplica un potencial a una celda de dos electrodos que contiene la solución de biomaterial. El biomaterial migra a uno de los electrodos formando una película delgada en la superficie. Estas películas delgadas se pueden usar para hacer que una superficie sea biocompatible, por ejemplo, para estabilizar las enzimas ensambladas en la superficie de las células. En este caso, una película delgada de quitosano estabiliza la enzima glucosa oxidasa. Además, los biomateriales a menudo se funden en solución sobre una superficie para formar una película delgada. La solución se deja caer primero sobre un sustrato y luego se seca para eliminar todo el disolvente. El espesor de la película se controla mediante el volumen y la concentración de la solución.

Aunque los biomateriales se utilizan ampliamente en bioingeniería, existen desafíos inherentes asociados con su uso. En primer lugar, los biomateriales poseen propiedades naturales que se rigen por su origen y estructura molecular. Si bien estos materiales se pueden aprovechar para una amplia gama de aplicaciones, modificar sus propiedades inherentes puede ser difícil. Además, el procesamiento del material altera sus propiedades, a veces de forma adversa. Los biomateriales se derivan de fuentes naturales que pueden variar según el organismo, la especie y factores ambientales como la estación. Esto puede dar lugar a una variabilidad de lote a lote que provoca pequeñas diferencias en la aplicación final. Por último, la mayoría de los biomateriales son solubles en agua, lo que limita su estabilidad. Dado que algunas aplicaciones requieren que el material sea permanente, es posible que se requieran técnicas de reticulación o estabilización para prolongar su vida útil. Sin embargo, esto puede dar lugar a cambios no deseados en las propiedades mecánicas.

Los materiales de origen biológico se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en la investigación en bioingeniería. En primer lugar, los biomateriales se utilizan con frecuencia en aplicaciones de administración de fármacos, ya que suelen ser biodegradables y biocompatibles. Por ejemplo, los hidrogeles ofrecen una matriz biocompatible capaz de retener moléculas sensibles de fármacos. Se degradan a un ritmo predecible dependiendo de las propiedades del material, lo que permite la liberación controlada de un fármaco. Los biomateriales se han utilizado ampliamente en medicina, específicamente con suturas de seda y con vendajes y adhesivos a base de quitosano para la cicatrización de heridas. En este ejemplo, las películas adhesivas quirúrgicas de quitosano se prepararon con un tinte de diagnóstico médico. Posteriormente se fusionaron a través del tejido cortado para cerrar la herida como alternativa a las suturas. Un área en evolución del campo de los biomateriales trata las proteínas y otras biomoléculas, como el ADN en este caso, como materiales poliméricos. Para esto, las hebras de ADN se diseñan con una secuencia específica que induce el plegamiento preciso de la hebra de ADN en estructuras y patrones complejos llamados origami de ADN. Estas estructuras se pueden utilizar para crear ensamblajes funcionales capaces de detectar señales biológicas, cambiar de forma o liberar biomoléculas incrustadas.

Acabas de ver el resumen de JoVE sobre los materiales de origen biológico. Ahora debe comprender los orígenes y las propiedades de varios biomateriales comunes, algunas técnicas utilizadas en el laboratorio para procesarlos y algunos desafíos asociados con su uso. Gracias por mirar.