Bajo presión: El nuevo material bioinspirado puede "cambiar de forma" a fuerzas externas
Material autoadaptable que puede cambiar su rigidez
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Inspirados por la forma en que el hueso humano y los coloridos arrecifes de coral ajustan los depósitos minerales en respuesta a los entornos que los rodean, los investigadores de Johns Hopkins han creado un material autoadaptable que puede cambiar su rigidez en respuesta a la fuerza aplicada. Este avance puede algún día abrir las puertas para que los materiales que pueden auto-adaptarse se preparen para el aumento de la fuerza o para detener más daños. Un informe de los hallazgos se publicó hoy en Materiales Avanzados.
Para el experimento del equipo de la JHU, el aumento de la fuerza (la flecha apuntando hacia abajo) aplicada sobre el material condujo a más cargas eléctricas, y por lo tanto, a más mineralización.
Pam Li/Johns Hopkins University
"Imaginen un implante óseo o un puente que se pueda auto-reforzar donde se aplica una gran fuerza sin inspección ni mantenimiento. Permitirá implantes y puentes más seguros con un mínimo de complicaciones, costos y tiempo de inactividad", dice Sung Hoon Kang, profesor asistente del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto de Materiales Extremos de Hopkins y del Instituto de NanoBiotecnología de la Universidad Johns Hopkins y autor principal del estudio.
Si bien otros investigadores han intentado crear materiales sintéticos similares anteriormente, hacerlo ha sido un desafío porque esos materiales son difíciles y costosos de crear, o requieren un mantenimiento activo cuando se crean y están limitados en cuanto a la cantidad de tensión que pueden soportar. Tener materiales con propiedades adaptables, como los de la madera y el hueso, puede proporcionar estructuras más seguras, ahorrar dinero y recursos, y reducir el impacto ambiental perjudicial.
Los materiales naturales pueden autorregularse utilizando los recursos del entorno; por ejemplo, los huesos utilizan señales celulares para controlar la adición o eliminación de los minerales extraídos de la sangre que los rodea. Inspirados por estos materiales naturales, Kang y sus colegas trataron de crear un sistema de materiales que pudiera añadir minerales en respuesta al estrés aplicado.
El equipo comenzó usando materiales que pueden convertir las fuerzas mecánicas en cargas eléctricas como andamios, o estructuras de soporte, que pueden crear cargas proporcionales a la fuerza externa colocada sobre ellos. La esperanza del equipo era que estas cargas pudieran servir como señales para que los materiales comenzaran la mineralización a partir de los iones minerales del medio ambiente.
Kang y sus colegas sumergieron películas poliméricas de estos materiales en un fluido corporal simulado que imitaba las concentraciones iónicas del plasma sanguíneo humano. Después de que los materiales se incubaran en el fluido corporal simulado, los minerales comenzaron a formarse en las superficies. El equipo también descubrió que podían controlar los tipos de minerales formados controlando la composición iónica del fluido.
El equipo estableció entonces una viga anclada en un extremo para aumentar gradualmente la tensión de un extremo de los materiales al otro y descubrió que las regiones con más tensión tenían más acumulación de minerales; la altura de los minerales era proporcional a la raíz cuadrada de la tensión aplicada.
Sus métodos, dicen los investigadores, son simples, de bajo costo y no requieren energía extra.
"Nuestros hallazgos pueden allanar el camino para una nueva clase de materiales autorregenerables que puedan auto-reforzar las áreas dañadas", dice Kang. Kang espera que estos materiales puedan algún día ser utilizados como andamios para acelerar el tratamiento de enfermedades o fracturas relacionadas con los huesos, resinas inteligentes para tratamientos dentales u otras aplicaciones similares.
Además, estos hallazgos contribuyen a que los científicos comprendan los materiales dinámicos y el funcionamiento de la mineralización, lo que podría arrojar luz sobre los entornos ideales necesarios para la regeneración ósea.
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