Los científicos inventan nuevos biomateriales reabsorbibles para dispositivos médicos implantables

Aug 31, 2023

Diálogo del 10 de agosto de 2023

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos al tiempo que garantizan la credibilidad del contenido:

verificado

publicación revisada por pares

fuente confiable

escrito por investigador(es)

corregir

por Zhuomin Zhang

¿Qué pasaría si tuviéramos pequeños dispositivos en nuestros cuerpos que pudieran monitorear constantemente las arterias dañadas, acelerar la regeneración ósea y la curación de heridas o facilitar la administración de medicamentos para el tratamiento del cáncer? Esto podría abrir oportunidades notables para el tratamiento de enfermedades humanas y la mejora de nuestras capacidades más allá de los límites de la biología.

Para crear estos dispositivos se pueden utilizar biomateriales piezoeléctricos, que pueden generar señales eléctricas a través del estrés mecánico producido por movimientos corporales como el estiramiento de los músculos, la respiración, el flujo sanguíneo y pequeños movimientos. No requerirán baterías y estarán diseñados para disolverse de manera segura dentro del cuerpo una vez que hayan cumplido su propósito.

El Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2021 fue otorgado a los científicos David Julius y Ardem Patapoutian, quienes resolvieron el misterio de la sensación humana del tacto y el dolor. Verificaron que las células sienten la presión y provocan la sensación del tacto a través de los efectos de acoplamiento electromecánico de las proteínas Piezo 1 y Piezo 2. Este gran descubrimiento nos inspira y hemos estado pensando en realizar algunos nuevos avances científicos en el campo de los biomateriales piezoeléctricos y impulsándolos hacia aplicaciones del mundo real.

Actualmente, la mayoría de los materiales piezoeléctricos son rígidos y quebradizos, y algunos de ellos incluso contienen materiales tóxicos, lo que los hace inadecuados para su implantación en el cuerpo humano. Los biomateriales piezoeléctricos son alternativas prometedoras ya que exhiben naturalmente biocompatibilidad, confiabilidad y reabsorción.

Sin embargo, la resistencia piezoeléctrica de los biomateriales piezoeléctricos naturales como el hueso y la madera es débil debido a la orientación desordenada. Esto los hace no estar preparados para aplicaciones del mundo real. Por lo tanto, es extremadamente importante crear orden en los biomateriales piezoeléctricos y mejorar su efecto piezoeléctrico. Sin embargo, manipular biomoléculas a escala con la orientación alineada necesaria para funcionar correctamente ha resultado un desafío.

Aquí, presentamos una estrategia generalizable que permite que las biomoléculas se autoensamblen en un área grande con la misma orientación mediante nanoconfinamiento sinérgico y un campo eléctrico in situ. Las películas biomoleculares muestran una estructura densa y compacta con una resistencia piezoeléctrica uniformemente alta, superior a la mayoría de las películas bioorgánicas reportadas.

Además, debido al efecto de nanoconfinamiento, la termoestabilidad de estas películas nanocristalinas ha mejorado mucho en comparación con sus cristales en masa (la temperatura de falla se ha elevado de 67°C a 192°C).

De hecho, en 2022 ya habíamos publicado un estudio sobre tejidos biopiezoeléctricos en Advanced Materials titulado "Películas ultrafinas submucosas biopiezoeléctricas procesadas por exfoliación de van der Waals". En este trabajo, estudiamos sistemáticamente la biopiezoelectricidad de la submucosa del intestino delgado (SIS) en capas de Van der Waals.

Por primera vez, determinamos cuantitativamente la piezoelectricidad inherente de SIS utilizando microscopía de fuerza de piezorespuesta avanzada (PFM) y revelamos el origen de su biopiezoelectricidad. Propusimos un proceso de exfoliación de van der Waals (vdWE) utilizando interacciones débiles de van der Waals en tejidos biológicos blandos en capas para preparar películas ultrafinas (100 nm) con dominios piezoeléctricos efectivos mediante un simple pelado mecánico.

Sin embargo, la piezoelectricidad de la película ultrafina de tejido blando es todavía demasiado baja en comparación con las cerámicas inorgánicas y los polímeros orgánicos que se utilizan ampliamente en la actualidad. Debido a que la dirección piezoeléctrica está en el plano, sus escenarios de aplicación son muy limitados.

Por lo tanto, hemos estado pensando si se pueden fabricar biomateriales piezoeléctricos de alto rendimiento mediante un ensamblaje totalmente controlable a nivel molecular. Este es un gran reto. Probamos varios métodos de fabricación y biomateriales pero no logramos los resultados deseados hasta un intento casual a finales de 2021.

Durante una discusión, pensamos que podría ser posible intentar preparar biomateriales utilizando la plataforma de deposición por pulverización electrohidrodinámica recientemente construida. Pensamos que tal vez el campo eléctrico in situ durante el proceso de preparación podría tener algunos efectos sorprendentes. Después de preparar la película de aminoácidos, la probamos inmediatamente utilizando el PFM más avanzado. Nos sorprendió observar que la película de aminoácidos preparada exhibía una alta respuesta piezoeléctrica a nanoescala, mientras que la película depositada era densa y uniforme.

Sin embargo, en ese momento todavía no sabíamos por qué el material exhibía una respuesta piezoeléctrica tan alta, si tenía una orientación alineada a escala macro y el mecanismo subyacente de su autoensamblaje. En la caracterización posterior del material, nos sorprendió que la fina película no presentara la fase cristalina de γ-glicina, sino una fase completamente β.

Sin embargo, la β-glicina siempre se ha considerado la más difícil de formar entre las tres formas cristalinas de glicina y las condiciones ambientales más inestables. Después de colocarlo en aire húmedo durante varias horas o calentarlo a 67°C, se transforma rápidamente en α-glicina no piezoeléctrica. Después de innumerables días y noches de experimentación y exploración, finalmente resolvimos estos difíciles problemas.

Presentamos por primera vez una estrategia de autoensamblaje activo para preparar películas de biomateriales piezoeléctricos de alto rendimiento mediante nanoconfinamiento sinérgico y polarización in situ. La nucleación homogénea inducida por nanoconfinamiento supera la dependencia interfacial y permite que el campo eléctrico aplicado in situ alinee los granos de cristal en toda la película. Las películas nanocristalinas de β-glicina se fabrican con una impresora de películas bioorgánicas utilizando el método de pulverización electrohidrodinámica.

Luego propusimos el posible proceso de nucleación y cristalización de la siguiente manera. Los nanocristales de β-glicina se forman mediante nucleación homogénea debido al tamaño pequeño y a la propiedad libre de sustrato de las nanomicrogotas en vuelo. Como la nucleación homogénea no se ve influenciada por las interfaces sólido-líquido, es posible manipular el proceso de cristalización aplicando campos eléctricos externos, que también sirven como proceso de polarización.

El campo eléctrico in situ en el proceso de crecimiento de los cristales induce la alineación del dominio de los nanocristales de β-glicina, lo que sugiere que la dirección de polarización neta [020] es paralela al campo eléctrico.

Nuestras novedosas películas biomoleculares piezoeléctricas podrán eventualmente aplicarse en microdispositivos electromecánicos biológicos de alto rendimiento y bioelectrónica transitoria, como biosensores implantables, fuentes de alimentación de carga inalámbrica bioabsorbibles in vivo, chips inteligentes e ingeniería biomédica.

Nuestro próximo trabajo se centrará en tres aspectos: mejorar la flexibilidad de la película para que coincida con el módulo del tejido biológico; producción en masa de bajo coste de películas delgadas piezoeléctricas bioabsorbibles; Promocionar nuestros productos en aplicaciones biomédicas del mundo real que beneficien a las personas. El estudio actual fue publicado en Nature Communications.

Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.

Más información: Zhuomin Zhang et al, Autoensamblaje activo de películas biomoleculares piezoeléctricas mediante nanoconfinamiento sinérgico y polarización in situ, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39692-y

Información de la revista:Materiales Avanzados, Comunicaciones de la Naturaleza

Bio: Ahora soy Ph.D. candidato en Ingeniería Mecánica en la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) y estudiante visitante en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST). Mis intereses de investigación incluyen: Piezoeléctrico/Ferroeléctrico; Biomateriales; Electrónica flexible y robótica blanda; Autoensamblaje; Ingeniería Biomédica; MEMS; Sensores; Recolección de energía; y transductores ultrasónicos.