Nuevos materiales 4D que cambian de forma son prometedores para la ingeniería de tejidos morfodinámicos

El material 4-D cambia de forma en respuesta al agua. El lado gris del material de la imagen absorbe el agua más rápido que el lado azul, lo que hace que se doble en forma de «C». Crédito: Yu Bin Lee

Nuevos materiales a base de hidrogel que pueden cambiar de forma en respuesta a estímulos psicológicos, como el agua, podrían ser la próxima generación de materiales utilizados para la bioingeniería de tejidos y órganos, según un equipo de investigadores de la Universidad. de Illinois Chicago.

En un nuevo artículo publicado en la revista Advanced Functional Materials, la investigación dirigida por Eben Alsberg, profesor de ingeniería biomédica de Richard and Loan Hill que desarrolló las sustancias, muestra que los materiales únicos pueden enrollarse en tubos en respuesta al agua, lo que hace que el materiales buenos candidatos para la bioingeniería de vasos sanguíneos u otras estructuras tubulares.

En la naturaleza, el desarrollo embrionario y la curación de tejidos a menudo implican una alta concentración de células y cambios arquitectónicos y organizativos complejos que finalmente dan lugar a la morfología y estructura final del tejido .

Para la ingeniería de tejidos, las técnicas tradicionales han implicado, por ejemplo, cultivar andamios de polímeros biodegradables con células en biocámaras llenas de nutrientes líquidos que mantienen vivas a las células. Con el tiempo, cuando se les proporcionan las señales apropiadas, las células se multiplican y producen tejido nuevo que toma la forma del andamio a medida que el andamio se degrada. Por ejemplo, un armazón en forma de oreja sembrado con células capaces de producir cartílago y tejido de la piel puede eventualmente convertirse en una oreja trasplantable.

Sin embargo, un armazón geométricamente estático no puede permitir la formación de tejidos que cambien dinámicamente toman forma con el tiempo o facilitan las interacciones con los tejidos vecinos que cambian de forma. Por lo general, los andamios tampoco usan ni respaldan una alta densidad de células.

«El uso de una alta densidad de células puede ser ventajoso en la ingeniería de tejidos, ya que esto permite una mayor interacción célula-célula que puede promover la desarrollo», dijo Alsberg, quien también es profesor de ortopedia, farmacología e ingeniería mecánica e industrial en la UIC.

Ingrese materiales 4-D, que son como materiales 3-D, pero cambian de forma cuando son expuestos a señales ambientales específicas, como la luz o el agua. Los ingenieros biomédicos han considerado estos materiales como nuevos sustratos estructurales potenciales para la ingeniería de tejidos, pero la mayoría de los materiales 4-D disponibles actualmente no son biodegradables ni compatibles con las células.

Para aprovechar la promesa de 4-D materiales para aplicaciones de bioingeniería, Alsberg y sus colegas desarrollaron nuevos materiales 4-D basados en hidrogeles similares a la gelatina que cambian de forma con el tiempo en respuesta a la adición de agua y son compatibles con las células y biodegradables, lo que los convierte en excelentes candidatos para la ingeniería de tejidos avanzada. Los hidrogeles también soportan densidades celulares muy altas, por lo que pueden sembrarse abundantemente con células.

En el artículo, los investigadores describen cómo la exposición al agua hace que los andamios de hidrogel se hinchen a medida que se absorbe el agua. La cantidad de hinchamiento se puede ajustar, por ejemplo, cambiando aspectos del material de hidrogel, como su tasa de degradación o la concentración de cadenas de polímeros reticulados de proteína o polisacárido en este caso que comprenden los hidrogeles. Cuanto mayor sea la concentración de polímero y la reticulación, menos y más lentamente un hidrogel absorberá agua para inducir un cambio en la forma.

Los investigadores descubrieron que al colocar hidrogeles en capas con diferentes propiedades, como una pila de papel, el la diferencia en la absorción de agua entre las capas hará que la pila de hidrogel se doble en una conformación en forma de ‘C’. Si la pila se dobla lo suficiente, se forma una forma tubular, que se parece a estructuras como vasos sanguíneos y otros órganos tubulares.

También descubrieron que es posible calibrar el sistema para controlar el tiempo y la extensión de la forma. cambio que se produjo. Los investigadores pudieron incrustar células madre de médula ósea en el hidrogel a una densidad muy alta, la densidad de células más alta jamás registrada para materiales 4-D, y mantenerlas vivas, un avance significativo en bioingeniería que tiene aplicaciones prácticas.

En En el artículo, los investigadores describieron cómo se podría inducir el hidrogel cargado de células que cambian de forma para que se convierta en tejidos similares a huesos y cartílagos. También se implementó la bioimpresión 4-D de este hidrogel para obtener configuraciones únicas para lograr arquitecturas 4-D más complejas.

«Usando nuestros hidrogeles bicapa, no solo podemos controlar la cantidad de flexión que sufre el material y su duración temporal progresión, pero debido a que los hidrogeles pueden soportar altas densidades celulares, imitan más de cerca la cantidad de tejidos que se forman o curan naturalmente», dijo Yu Bin Lee, investigador postdoctoral en ingeniería biomédica y primer autor del artículo. «Este sistema es prometedor para la ingeniería de tejidos, pero también puede usarse para estudiar los procesos biológicos involucrados en el desarrollo temprano».

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Tejidos y órganos impresos en 3D sin el andamiaje Más información: Yu Bin Lee et al, Induction of FourDimensional Spatiotemporal Geometric Transformations in High Cell Density Tissues via ShapeChanging Hydrogels, Materiales Funcionales Avanzados (2021). DOI: 10.1002/adfm.202010104 Información de la revista: Advanced Functional Materials

Proporcionado por la Universidad de Illinois en Chicago Cita: Los nuevos materiales 4D que cambian de forma son prometedores para la morfodinámica ingeniería de tejidos (25 de febrero de 2021) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-02-shape- Changing-4d-materials-morphodynamic-tissue.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.