Equipo de ingeniería desarrolla hidrogeles miméticos de tendones multifuncionales

Reparar o reemplazar tendones lesionados o tejidos de carga similares 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 sobresalientes. Sus propiedades mecánicas se originan en estructuras sofisticadas a microescala que involucran fibrillas de colágeno rígidas alineadas en paralelo y entrelazadas con biopolímeros blandos que retienen agua.

Durante las últimas décadas, los investigadores han intentado 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. Sigue siendo difícil ya que los hidrogeles sintéticos suelen ser débiles y quebradizos. Resolver este desajuste permitiría aplicaciones críticas en reparación de tejidos, robots biomédicos, dispositivos implantables y muchas otras tecnologías.

Un equipo de investigación dirigido por la Dra. 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 mimético de tendón con propiedades mecánicas sobresalientes que se asemejan a las de los tendones naturales combinados con multifuncionalidades para aplicaciones biomédicas.

La investigación fue publicada en Avances de la ciencia, en un artículo titulado «Hidrogeles tendón-miméticos multifuncionales». La investigación también apareció en Naturaleza como punto culminante de la investigación.

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

Las interacciones entre las nanofibras rígidas y los polímeros blandos confieren además una gran dureza mecánica a los compuestos. Este hidrogel consta de un 60 % de agua y muestra un excelente módulo de Young de ~1 GPa y una fuerza de ~80 MPa, superando a otros hidrogeles sintéticos en órdenes de magnitud. La superficie de los hidrogeles se puede funcionalizar aún más para dirigir los comportamientos de las células o integrarse con sensores bioelectrónicos blandos.

«Desarrollamos una plataforma de materiales biomiméticos para aplicaciones biomédicas avanzadas. Los componentes básicos de los materiales capturaron muchas características estructurales de los tendones naturales, lo que llevó a propiedades asombrosas que son inaccesibles con otros hidrogeles sintéticos», dijo el Dr. Xu, y agregó que «estos hidrogeles no solo son mecánicamente fuerte pero también funcionalizado con moléculas bioactivas y sensores electrónicos blandos, proporcionando capacidades críticas para la reparación de tejidos y dispositivos médicos implantables».