Hay una clase de materiales que tienen la capacidad única de recuperarse de los daños inducidos por causas mecánicas, térmicas y químicas para restaurar sus propiedades originales sin ayuda externa. Conocidas como materiales «autocurativos», estas sustancias son un área de investigación prometedora en el campo biomédico, donde tienen aplicaciones en el cuidado de heridas, dispositivos médicos, administración de fármacos y más.
Solo ciertas sustancias pueden autocurarse y, al mismo tiempo, ser compatibles con los tejidos humanos y las complejas condiciones internas del cuerpo. Nuestra investigación más reciente utilizando la Colección de Contenido CASTM revela qué materiales tienen el mayor potencial para estos avances biomédicos y qué aplicaciones ya han avanzado más.
Cómo funcionan los materiales autorreparables
La «autocuración» puede referirse a muchos materiales que pueden repararse a sí mismos a nivel macroscópico o molecular después de dañarse. En las aplicaciones biomédicas, los materiales autorreparables más utilizados incorporan polímeros (es decir, moléculas grandes unidas entre sí) que se modifican para que puedan formar enlaces químicos reversibles. Se está investigando activamente una amplia variedad de polímeros, incluidos materiales de origen natural como el quitosano y materiales sintéticos como el PEG, en aplicaciones biomédicas de autorreparación. Los materiales inorgánicos, los compuestos de coordinación y los metales también están bien representados en la literatura actual (ver Figura 1).
Los polímeros presentan cualidades como la flexibilidad y la biocompatibilidad, que son importantes para su uso en el cuerpo humano. También pueden tener grupos secundarios que pueden diseñarse para participar en interacciones de autocuración además de sus otras propiedades. Por ejemplo, los materiales autorreparables suelen tener enlaces de hidrógeno en su composición química, que son comunes en las proteínas y se pueden romper y volver a formar fácilmente incluso a temperatura ambiente.
¿Qué aspecto tiene esa reforma? Considera la posibilidad de introducir una sustancia gelatinosa a través de una aguja. Si el gel contiene enlaces reversibles y autorreparables, esos enlaces pueden romperse temporalmente debido a la tensión sobre el gel al pasar por la aguja, lo que hace que se vuelva líquido.
Luego, esos enlaces pueden volver a formarse y restaurar las propiedades de tipo gel de la sustancia en el cuerpo después de la inyección.
Aplicaciones médicas actuales y futuras
Los materiales autorreparables ya se utilizan en muchos dispositivos implantados, apósitos para heridas y sistemas de administración de fármacos. Algunas de las investigaciones más interesantes hoy en día se refieren a los hidrogeles, una gran variedad de materiales biocompatibles a base de agua que pueden diseñarse para que tengan propiedades de autocuración. Las lentes de contacto blandas son un ejemplo de hidrogel para uso biomédico, pero los investigadores están descubriendo aún más usos potenciales para estos materiales:
- Cuidado de heridas: Los hidrogeles pueden imitar los tejidos humanos con su suavidad y flexibilidad, y pueden diseñarse con propiedades antibacterianas, todas las cuales ayudan a la cicatrización de las heridas. Por ejemplo, un grupo de investigadores desarrolló un hidrogel que se puede inyectar en lechos irregulares de heridas por quemaduras profundas. Otros crearon un hidrogel autocurativo inyectable y biocompatible para las heridas cercanas a las partes del cuerpo que se estiran con frecuencia, como las rodillas y los codos.
En particular, en estos hidrogeles se usan polímeros naturales como el quitosano y la celulosa. Estos materiales derivados de plantas ofrecen una buena estabilidad dentro del cuerpo y están ampliamente disponibles. También pueden modificarse químicamente para que tengan propiedades autorreparables, lo que explica por qué los polímeros naturales se citan con tanta frecuencia en las publicaciones sobre hidrogeles (ver Figura 2).
- Andamios tisulares: Los hidrogeles autocurativos son prometedores en la medicina regenerativa, en particular para promover el desarrollo de tejidos y órganos. Cuando actúan como andamios, estos materiales pueden repararse por sí mismos dentro del cuerpo incluso si sufren una lesión, lo que promueve el crecimiento y la reparación de los tejidos.
Por ejemplo, los investigadores desarrollaron un hidrogel de red de polímeros interpenetrantes (IPN) que cumplía con las normas mecánicas utilizando poliacrilamida (PAAM) y gelatina. El hidrogel PAAM/gelatina igualaba las propiedades físicas y químicas del tejido natural de las cuerdas vocales, por lo que funcionó como un implante de tejido adhesivo artificial para la reparación de la voz.
Investigadores en China también desarrollaron un andamiaje compuesto de fibra e hidrogel para la generación muscular. La fibra se electrohiló a partir de una mezcla de grafeno, melatonina y un polímero biocompatible como el ácido poliláctico o la policaprolactona, mientras que se usó un derivado del ácido hialurónico como matriz de hidrogel.
Los hidrogeles también se pueden usar para la regeneración de tejidos duros, como demostró un grupo de investigadores. El compuesto de hidrogel contenía fosfato de calcio que formaba enlaces reversibles con la matriz de dentina tratada con ácido poliacrílico y carboximetilquitosano, seguidos de enlaces dinámicos iónicos y de hidrógeno en la matriz. Este estudio demostró que el hidrogel conservaba su bioactividad y promovía la regeneración del tejido duro de la dentina/hueso.
- Administración de fármacos: Los hidrogeles se pueden diseñar con enlaces cruzados reversibles que se rompen cuando sufren una deformación por cizallamiento al pasar por una aguja. El gel fluirá como un líquido durante la inyección y luego puede volver a formarse en gel dentro del cuerpo. Estos materiales también se pueden cargar con medicamentos (en microcápsulas, por ejemplo) que se pueden entregar en lugares específicos.
Por ejemplo, los investigadores demostraron que un hidrogel inyectable que responde al pH puede administrar medicamentos para el tratamiento del cáncer a sitios específicos del cuerpo y luego descomponerse después del parto. Otro equipo de investigadores usó un hidrogel para administrar la quimioterapia, y el fármaco se activó mediante una bocina ultrasónica después de la inyección. Se inyectó otro hidrogel en una cavidad de resección del tumor para administrar electroterapia dirigida a las células cancerosas residuales después de la cirugía. El material bifásico permitió que el electrodo se ajustara a los bordes de la cavidad mientras generaba campos eléctricos de bajo voltaje cerca del sitio del tumor.
Materiales clave a tener en cuenta
Nuestro análisis de los documentos y citas de la Colección de Contenido CAS muestra un crecimiento constante de las publicaciones en revistas sobre materiales autorreparables en los últimos 20 años. El aumento reciente de la relación entre revistas y patentes sugiere que la atención se sigue centrando en el desarrollo en las primeras etapas más que en la comercialización.
Se pueden usar muchas interacciones químicas para conferir propiedades de autorreparación a los polímeros, incluidos los enlaces covalentes y no covalentes. Los ejemplos de interacciones covalentes incluyen los enlaces dinámicos de bases de Schiff, que se utilizan ampliamente para biomateriales y han crecido significativamente en los últimos cinco años. Estos enlaces se basan en reacciones entre un nucleófilo y un aldehído o cetona para formar un enlace, normalmente una imina u oxima, que es reversible en presencia de agua. Un ejemplo de esto es un hidrogel autorreparable a base de una mezcla de ácido hialurónico modificado con dialdehído y cistamina.
Los enlaces de hidrógeno, como se mencionó anteriormente, son una interacción no covalente común, junto con las interacciones hidrófobas, huésped-huésped, electrostáticas, de apilamiento π -π y de coordinación metal-ligando, en particular aquellas entre catecoles e iones hierro (III).
También estamos viendo un aumento significativo en el uso de diisocianatos (véase la figura 3), que se utilizan en la síntesis de poliuretanos. Esto sugiere que los poliuretanos son una clase emergente de sustancias en los materiales autorreparables. Las publicaciones de patentes recientes han analizado los poliuretanos utilizados en apósitos autocurativos para heridas y un poliuretano funcionalizado con heparina con propiedades de autocuración basadas en enlaces de hidrógeno y disulfuro.
La investigación de hoy, los avances del mañana
Los materiales autorreparables aún tienen muchos obstáculos que superar antes de que se comercialicen ampliamente para uso médico. En muchos casos, deben someterse a ensayos clínicos exhaustivos para garantizar la seguridad y la eficacia. Si bien estas innovaciones son en gran medida experimentales, tienen un inmenso potencial para la medicina personalizada y para mejorar la calidad de vida de los pacientes. Pueden acelerar la curación, prevenir infecciones, administrar medicamentos en áreas del cuerpo de difícil acceso y mejorar los dispositivos que ayudan a los sistemas corporales.
Al apoyando, revalorizando, multiplicando los mejores materiales de la naturaleza con innovaciones químicas, la comunidad científico/a puede abrir nuevas posibilidades de salud y recuperación con materiales autocurativos. Obtenga más información sobre los materiales autorreparables y las tendencias emergentes en el campo de los biomateriales, en rápida evolución, en nuestra última Informe Insight.
Este artículo incorpora la investigación realizada en colaboración con la Universidad de Westlake, China.
