Nanocompuestos en coronas para implante dental

Los materiales biológicos proporcionan una fuente de inspiración única para el diseño de materiales análogos de alto rendimiento. En particular, las estructuras biológicas tolerantes al daño integran componentes duros y blandos dispuestos jerárquicamente en compuestos con fases múltiples de dimensiones características que van desde la escala nano hasta la macroscópica. Estas estructuras complejas dotan a los biocompuestos naturales de una combinación de resistencia, rigidez y tenacidad crucial para sus funciones fisiológicas. En el artículo Bioinspired Functionally Graded Composite Assembled Using Cellulose Nanocrystals and Genetically Engineered Proteins with Controlled Biomineralization (Advanced Materials, 01/09/21) investigadores del VTT Technical Research Center of Finland Ltd, informan sobre una nueva clase de nanocompuestos multifase inspirados biológicamente con una estructura graduada que imita características del camarón mantis. Se utilizó celulosa en reemplazo de la quitina, proteínas artificiales con módulos de unión de celulosa (CBM) y del dominio ácido de CMP-1 regulador de la biomineralización, y apatita, material fuerte capaz de tolerar el daño. 

Crédito: Pezhman Mohammadi y col. Advances Materials (1/7/21)

El compuesto resultante consiste en nanocristales de celulosa (CNC) con organización helicoidal de largo alcance mezclados con dos tipos de matrices de proteínas diseñadas genéticamente. Una proteína ubicada espacialmente en la región interior de la corona contiendo CBM fue diseñada racionalmente para aumentar su fuerza interfacial con la red de CNC. La segunda proteína se diseñó para producir CMP-1 (caseinomacropéptido con valiosas propiedades bioactivas) para endurecer, fortalecer la superficie de los CNC orientados al mediar la nucleación y el crecimiento de cristales de apatita. El compuesto se utilizó para realizar coronas de implante dental con patrones periódicos de orientación de microrrefuerzo y una arquitectura de dos capas similar a los dientes humanos. La capacidad de regular el crecimiento de cristales dentro de la estructura nemática quiral de los CNC utilizando dominios de mineralización para lograr tanto un diseño microestructural graduado como el endurecimiento de la superficie no se había logrado previamente en compuestos de ingeniería. Lo propuesto ampliará el espectro de fabricación de materiales y la creación de prototipos para aplicaciones ortopédicas, reparación de huesos y bioingeniería.

Lectura complementaria:

Functionally GraBioinspired ded Composite Assembled Using Cellulose Nanocrystals and Genetically Engineered Proteins with Controlled Biomineralization

Superficies superhemofóbicas y superomnifóbicas para implantes en medicina.

Los implantes médicos, como los stents, los catéteres y los tubos, presentan un riesgo de coagulación e infección de la sangre. Las endoprótesis pueden formar coágulos, obstrucciones y provocar ataques cardíacos o embolias.  Los pacientes necesitan, por el resto de sus vidas, problemáticos medicamentos anticoagulantes. Investigadores, de la Universidad del Estado de Colorado, han creado una superficie superhemofóbica de titanio repelente de la sangre con potenciales aplicaciones en dispositivos médicos biocompatibles. Un material "fóbico" (repelente) es opuesto a lo que a menudo los científicos biomédicos utlizan: materiales "fílicos" (con afinidad) por la sangre para hacerlos biológicamente compatibles. En el artículo "Hemocompatibility of Superhemophobic Titania Surfaces” hacen lo contrario, usan un material no  compatible.  La innovación clave es una superficie  repelente capaz de engañar a la sangre haciendo como que no hay material extraño presente.

Sangre, plasma y agua. Crédito: Kota lab / Colorado State University

El secreto es el diseño de materiales en los cuales  la sangre apenas contacta con la superficie para evitar la coagulación. Los científicos trabajaron con láminas de titanio, usualmente utilizadas en dispositivos médicos, alterando su superficie con nano-objetos de forma de construir barreras perfectas entre el titanio y la sangre. Analizaron diferentes variaciones en las superficies de titanio comparando el grado de adhesión y activación de las plaquetas. Un buen ejemplo para la protección contra la coagulación lo constituye el acabado superficial con nanotubos fluorados. El equipo pudo demostrar mediante experimentos niveles muy bajos de adhesión plaquetaria, un proceso biológico conducente a la coagulación de la sangre y al rechazo eventual de un material extraño. 
Recientemente otro equipo de investigadores, ahora de la Universidad McMaster (Canadá), avanzó desarrollando recubrimientos superficiales superomnifóbicos capaces de repeler todo, como bacterias, virus y células vivas, pero modificable localmente para permitir excepciones beneficiosas (“Lubricant-Infused Surfaces with Built-In Functional Biomolecules Exhibit Simultaneous Repellency and Tunable Cell Adhesion”). Estas nuevas superficies promueven la unión selectiva de las especies deseadas al tiempo que impiden la adhesión no específica posibilitando implantes como los injertos vasculares y válvulas cardíacas de reemplazo, logrando también la adhesión de articulaciones artificiales al cuerpo sin riesgo de infección o coagulación sanguínea. Las superficies superhemofóbicas y superomnifóbicas se constituyen en materiales de gran interés para la realización de implantes seguros en medicina.

Lecturas complementarias:

• Hemocompatibility of Superhemophobic Titania Surfaces  
• Lubricant-Infused Surfaces with Built-In Functional Biomolecules Exhibit Simultaneous Repellency and Tunable Cell Adhesion