Nuevo material para robótica, prótesis y ropa inteligente

El 2 de junio del 2022 un equipo de investigadores de Universidad Estatal de Pensilvania y de la Universidad de Texas, ambas de EE. UU. han publicado, en la revista Nature Nanotechnology, el artículo Nanostructured block copolymer muscles en el cual se presenta una estrategia innovadora para crear actuadores de fibra. Se denomina actuador a cualquier material con estructura a nanoescala altamente alineada con dominios cristalinos y amorfos alternos, que se asemejan al patrón ordenado y estriado del músculo esquelético de los mamíferos. Presentan la capacidad para cambiar o se deformase bajo cualquier estímulo externo. Pueden contraerse, doblarse o expandirse.

Crédito: Lang C., Lloyd E.C., Matuszewski K.E. y col. Nature Nanotechnology 2022.

En tecnologías como la robótica se necesitan desarrollar versiones de estos materiales para emular a los músculos artificiales. El equipo de investigación desarrolló un proceso de dos pasos para fabricar actuadores de fibra que imitan la estructura de las fibras musculares. El actuador de fibra se realizó con hidrogeles (2.5 % en peso del copolímero SOS que contiene, PS: poliestireno - PEO: polióxido de etileno - PS: poliestireno en proporciones 13,74,13) en el solvente (tetrahidrofurano) con capacidad para estirar varias veces su longitud original cuando se hidratan, luego al aplicar agua o calor el material vuelve a su tamaño original. Las excepcionales propiedades de estiramiento de los hidrogeles son el resultado de la combinación de dominios a nanoescala amorfos rígidos y poros a escala micrométrica llenos de agua. Cuando los hidrogeles se estiran, retroceden como una banda elástica. Si las fibras estiradas se secan en estado extendido, la red de polímero cristalizará y se bloqueará en la forma alargada de las fibras. Una organización de alta precisión a escala nanométrica, de manera similar al sarcómero de un músculo humano. La aplicación de agua o calor a los materiales estirados derrite los cristales y permite la vuelta a su forma original. Los actuadores de fibra realizados con hidrogeles según la tecnología innovadora propuesta en el citado artículo pueden conducir a múltiples mejoras y avances en robótica, prótesis y prendas textiles inteligentes.

Lectura complementaría:

Nanostructured block copolymer muscles.

Nanoestimuladores celulares para la reparación muscular.

En medicina regenerativa, un tratamiento ideal para pacientes cuyos músculos están dañados por la falta de oxígeno sería vigorizarlos con una inyección de sus propias células madre. Los nanoestimuladores se unen a la superficie de estas, entregando agentes para estimular las células a liberar factores promotores del crecimiento de los vasos sanguíneos. 

Crédito: Janet Sinn-Hanlon. Universidad de Illinois.

La isquemia muscular, o el daño muscular debido al suministro limitado de oxígeno o sangre, puede deberse a múltiples causas, como una lesión en una extremidad o una enfermedad de la arteria periférica. Se sabe que las células madre derivadas del propio tejido adiposo de un paciente producen factores que hacen crecer nuevos vasos sanguíneos en el músculo dañado, restaurando el oxígeno, los nutrientes y modulando la inflamación en los tejidos dañados. Sin embargo, los experimentos in vivo han mostrado beneficios limitados, ya que la actividad de las células madre parece disminuir después de la inyección en el músculo. En el estudio Surface Tethering of Inflammation-Modulatory Nanostimulators to Stem Cells for Ischemic Muscle Repair publicado en la revista ACS Nano , los investigadores de la Universidad de Illinois demostraron que las nanopartículas (nanoestimuladres) sembradas con una molécula que el cuerpo produce naturalmente denominada factor de necrosis tunoral alfa (TNF-alfa) puede estimular a las células madre para secretar más de los factores deseados, amplificando los su poder regenerativo. El equipo de Illinois decidió intentar atar el TNF-alfa directamente a las células madre, a través nanoestimuladores (liposomas con ácido hialurónico-octadecilamina). Las nanopartículas se unen a un receptor en la superficie de las células, proporcionando un suministro localizado, dirigido y extendido de TNF-alfa. Los nanoestimuladores permiten que las células liberen los factores beneficiosos por más tiempo de lo que lo harían de otra manera. Esto proporciona una ventaja significativa, particularmente cuando las células se trasplantan en tejidos lesionados, enfermos y/o envejecidos.

Información complementaria:

Surface Tethering of Inflammation-Modulatory Nanostimulators to Stem Cells for Ischemic Muscle Repair