Electrohilado de biomateriales seda

Los materiales de origen biológico poseen propiedades clave que están fuera del alcance de los materiales sintéticos, lo que permite la fabricación de estructuras complejas con propiedades mejoradas. Los biomateriales son materiales que se crean o producen a partir de organismos vivos o que alguna vez estuvieron vivos. Estos materiales, como la seda, suelen someterse a varios pasos de procesamiento para alcanzar un estado utilizable y controlable. El biomaterial procesado se puede utilizar para formar estructuras específicas como esteras fibrosas, hidrogeles y películas. Este video presentará el procesamiento de la seda a partir de capullos de gusanos de seda, seguido de electrohilado del material procesado para formar esteras fibrosas.

Las sedas son polímeros proteicos que son hilados en fibras por varios insectos, como las arañas. Sin embargo, la seda utilizada en bioingeniería se deriva más comúnmente de las larvas de la especie de polilla de la seda Bombyx mori, comúnmente llamada gusano de seda, y se ha utilizado comercialmente para suturas médicas durante décadas. El material de seda de B. mori se extrae del capullo, que consiste en la proteína fibroína encerrada en una capa de sericina. La sericina es una proteína pegajosa que mantiene unido el capullo. La proteína fibroína se caracteriza por una secuencia de aminoácidos altamente repetitiva, con predominio de residuos de alanina, glicina y serina, lo que a su vez conduce a la homogeneidad en la estructura secundaria de la proteína. La fibroína de seda exhibe estructuras repetitivas de lámina beta, que son hebras conectadas lateralmente formando una hoja plisada. Estas estructuras hacen que la proteína polimérica sea altamente cristalina, lo que en combinación con su hidrofobicidad, proporciona una resistencia y dureza increíbles. Por ejemplo, la resistencia a la tracción de la seda, su capacidad para soportar cargas a través del alargamiento, puede ser hasta cuatro veces mayor que la del hueso. Por lo general, la seda se procesa en una solución polimérica antes de sus aplicaciones en bioingeniería. Primero, la sericina se elimina de las fibras, seguida de la solubilización de la fibroína. La solución de seda no tiene estructura secundaria y, por lo tanto, tiene propiedades mecánicas disminuidas. Sin embargo, el tratamiento con metanol puede inducir una recuperación parcial de las estructuras de la lámina beta. La solución de seda se puede procesar utilizando una técnica llamada electrohilado, en la que se aplica un alto voltaje entre una superficie de recolección y una aguja de jeringa. La aguja de la jeringa dispensa lentamente la solución de biomaterial. Las fuerzas electrostáticas hacen que las gotas de biomaterial se estiren en fibras. Estas fibras se acumulan aleatoriamente en el colector, creando una estera de nanofibras. Ahora que se han esbozado los conceptos básicos del procesamiento de la fibroína de seda, echemos un vistazo al procedimiento de procesamiento de la seda y veamos cómo se utiliza para crear esteras de microfibra mediante electrohilado.

Para preparar la solución de fibroína de seda de Bombyx mori, primero se cortan los capullos en trozos pequeños y se desechan el gusano y otros restos de insectos. A continuación, las piezas del capullo se hierven en una solución de carbonato de sodio para eliminar la sericina. Después de hervir, la fibroína de seda se retira de la solución y se lava varias veces con agua limpia. A continuación, las fibras de seda se secan durante la noche. A continuación, las fibras de seda secas se disuelven en una solución de bromuro de litio a 60 grados durante cuatro horas. Una vez que la seda se solubiliza, la solución se transfiere a un casete de diálisis y se dializa contra el agua. El agua debe cambiarse con frecuencia para asegurar la eliminación del bromuro de litio. Después de la diálisis, la solución acuosa de seda se transfiere a tubos y se centrifuga para eliminar cualquier partícula de fibroína de seda restante. La solución de seda se almacena a cuatro grados hasta que se necesite.

Para comenzar el electrohilado, la solución de biomaterial se carga en una jeringa y en una bomba de jeringa. La fuente de alto voltaje está conectada a la punta de la aguja de la jeringa, llamada hilera. La fuente de recolección, a menudo una tira de papel de aluminio, se coloca frente a la hilera y se conecta a tierra. La distancia entre la hilera y la fuente se ajusta a una distancia predeterminada. Si la distancia es demasiado pequeña, es posible que las fibras no tengan tiempo de solidificarse antes de la deposición, formando cintas inconsistentes. Sin embargo, si la distancia es demasiado alta, las fibras pueden aglomerarse o no ser uniformes. Se ajusta el caudal de la bomba de jeringa y se enciende la fuente de alto voltaje. A medida que aumenta el voltaje, las fuerzas electrostáticas contrarrestan la tensión superficial de la solución. El menisco se introduce en un cono, llamado cono de sastre, y luego, finalmente, en un chorro de fluido con mayor voltaje. A continuación, las fibras se recogen en la superficie de la lámina en una estera dispuesta al azar. También se puede utilizar una superficie de recolección giratoria para obtener esteras de fibra alineadas.

Hay muchos tipos diferentes de biomateriales que se utilizan en aplicaciones de bioingeniería, que van desde implantes de tejidos hasta bioelectrónica y biodetección. Las esteras electrohiladas de seda y otros biomateriales se utilizan a menudo para crear andamios de tejido, que proporcionan estructura a un tejido artificial. Las células se siembran directamente sobre estas estructuras, lo que permite la formación de tejido tridimensional. Los andamios de tejido están diseñados para promover interacciones celulares favorables, imitando así la estructura y función del tejido real. También están diseñados para poseer las propiedades deseadas de un tejido específico. Por ejemplo, los andamios diseñados para comportarse como un músculo deben poseer fibras más alineadas que los diseñados para comportarse como la piel. Aunque la seda se deriva comúnmente del gusano de seda, a menudo se usa seda de araña, ya que proporciona una mayor resistencia mecánica. Dado que las arañas no se pueden cultivar fácilmente, el material se produce sintéticamente mediante biotecnología. En este ejemplo, la proteína de seda recombinante se electrohiló en dispositivos de filtro. La adición de esta malla de seda al filtro mejoró en gran medida la eficiencia, ya que los tamaños de poro eran significativamente más pequeños que el filtro fabricado, lo que permitió su retención de partículas más pequeñas. Por último, los biomateriales suelen prepararse a partir de polímeros artificiales como la policaprolactona y el ácido poliláctico. Los materiales se sintetizan en el laboratorio y se utilizan para imitar los materiales bioderivados, ya que son biodegradables y biocompatibles. Las propiedades de los materiales se pueden adaptar fácilmente utilizando técnicas de fabricación para crear superficies biocompatibles para el ensamblaje de biomoléculas o para crear superficies hidrofóbicas, como se muestra en este ejemplo.

Acabas de ver la Introducción de JoVE a los biomateriales de seda. Ahora debería comprender cómo se prepara la seda y se electrohila en esteras y cómo se utilizan otros biomateriales en el campo de la bioingeniería. Gracias por mirar.