Diseñan microrrobots que pueden fabricar sus propios huesos

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Inspirándose en el crecimiento de los huesos en el esqueleto, investigadores de las universidades de Linköping en Suecia y Okayama en Japón han desarrollado una combinación de materiales que pueden transformarse en varias formas antes de endurecerse.

El material es inicialmente blando, pero luego se endurece a través de un proceso de desarrollo óseo que utiliza los mismos materiales que se encuentran en el esqueleto.

Cuando nacemos, tenemos huecos en el cráneo que están cubiertos por pedazos de tejido conectivo blando llamados fontanelas.

Es gracias a las fontanelas que nuestros cráneos pueden deformarse durante el parto y pasar con éxito por el canal de parto.

Después del nacimiento, el tejido de la fontanela cambia gradualmente a hueso duro.

Ahora, los investigadores han combinado materiales que juntos se asemejan a este proceso natural.

“Queremos usar esto para aplicaciones en las que los materiales deben tener diferentes propiedades en diferentes momentos.

En primer lugar, el material es blando y flexible, y luego se bloquea en su lugar cuando se endurece.

Este material podría utilizarse, por ejemplo, en fracturas óseas complicadas.

También podría usarse en microrobots: estos microrobots blandos podrían inyectarse en el cuerpo a través de una jeringa delgada y luego se desplegarían y desarrollarían sus propios huesos rígidos”, dice Edwin Jager, profesor asociado del Departamento de Física, Química y Biología. (IFM) en la Universidad de Linköping.

La idea surgió durante una visita de investigación a Japón cuando el científico de materiales Edwin Jager conoció a Hiroshi Kamioka y Emilio Hara, quienes realizan investigaciones sobre huesos.

Los investigadores japoneses habían descubierto un tipo de biomolécula que podría estimular el crecimiento óseo en un corto período de tiempo.

¿Sería posible combinar esta biomolécula con la investigación de materiales de Jager para desarrollar nuevos materiales con rigidez variable?

En el estudio que siguió, los investigadores construyeron una especie de “microrrobot” simple, que puede asumir diferentes formas y cambiar la rigidez.

Los investigadores comenzaron con un material de gel llamado alginato.

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En un lado del gel, se cultiva un material polimérico.

Este material es electroactivo y cambia su volumen cuando se aplica un voltaje bajo, lo que hace que el microrrobot se doble en una dirección específica.

En el otro lado del gel, los investigadores adhirieron biomoléculas que permiten que el material de gel blando se endurezca.

Estas biomoléculas se extraen de la membrana celular de un tipo de célula que es importante para el desarrollo óseo.

Cuando el material se sumerge en un medio de cultivo celular, un entorno que se parece al cuerpo y contiene calcio y fósforo, las biomoléculas hacen que el gel se mineralice y se endurezca como el hueso.

Una aplicación potencial de interés para los investigadores es la curación de huesos.

La idea es que el material blando, impulsado por el polímero electroactivo, pueda maniobrar en espacios en fracturas óseas complicadas y expandirse.

Cuando el material se ha endurecido, puede formar la base para la construcción de hueso nuevo.

En su estudio, los investigadores demuestran que el material puede envolverse alrededor de huesos de pollo, y el hueso artificial que se desarrolla posteriormente crece junto con el hueso de pollo.

Al hacer patrones en el gel, los investigadores pueden determinar cómo se doblará el microrrobot simple cuando se aplique voltaje.

Las líneas perpendiculares en la superficie del material hacen que el robot se doble en semicírculo, mientras que las líneas diagonales hacen que se doble como un sacacorchos.

“Al controlar cómo gira el material, podemos hacer que el microrobot se mueva de diferentes maneras y también afectar cómo se despliega el material en los huesos rotos.

Podemos incrustar estos movimientos en la estructura del material, haciendo innecesarios programas complejos para dirigir estos robots”, dice Edwin Jager.

Para aprender más sobre la biocompatibilidad de esta combinación de materiales, los investigadores ahora están investigando más a fondo cómo funcionan sus propiedades junto con las células vivas.

Fuente: Advanced Materials