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Polímero adaptable inspirado en pepinos de mar
Los científicos de la Universidad Case Western han creado un biopolímero que cambia rápidamente entre estados rígidos y flexibles, utilizando material inspirado en los pepinos de mar. El nuevo material se ablanda en presencia de un solvente a base de agua y se vuelve rígido a medida que el solvente se evapora. Christoph Weder, investigador principal y profesor de ciencia e ingeniería macromolecular, dice que dicho material puede ser útil en el diseño de electrodos implantables capaces de registrar la actividad cerebral durante largos períodos de tiempo, con cicatrices mínimas en comparación con los electrodos convencionales.
Polímero inteligente: Los pepinos de mar inspiraron el diseño de un nuevo nanocompuesto que cambia rápidamente de duro a blando. El nuevo material podría encontrar uso en microelectrodos neuronales.
Uno de los desafíos a los que se enfrentan los investigadores que desarrollan implantes neurales para ayudar a los pacientes paralizados es que los electrodos suelen estar hechos de metal. Este material quebradizo y rígido puede dañar los tejidos con el tiempo. (Consulte Piel electrónica estirable). De hecho, durante un par de meses, el exterior duro del electrodo roza la materia blanda del cerebro, lo que provoca la formación de tejido cicatricial y reduce significativamente la capacidad de grabación del electrodo. Necesitamos una nueva generación de electrodos que sean diferentes a los electrodos metálicos habituales que producen todo tipo de daño después de un tiempo y ya no funcionan, dice el profesor del Instituto MIT Emilio Bizzi, que no participó en el estudio.
Para superar este problema, Weder y sus colegas buscaron materiales biocompatibles que pudieran transformarse de estados rígidos a flexibles, y encontraron un modelo ideal en el pepino de mar. A medida que un pepino de mar maniobra su camino a través del fondo del océano, su estructura flexible hace que sea fácil de atravesar grietas y hendiduras. A la primera señal de peligro, su piel se pone rígida, formando una armadura rígida contra posibles depredadores. Los investigadores han descubierto que la piel del pepino de mar está compuesta por una red ultrafina de fibras de celulosa o bigotes. En modo defensivo, las células circundantes liberan moléculas que hacen que los bigotes se unan, formando un escudo rígido. En un estado relajado, otras células liberan proteínas plastificantes, aflojando las fibras y haciendo que la piel sea flexible.
El equipo de Weder aisló fibras rígidas de celulosa de los mantos de tunicados, criaturas marinas con piel similar a la de los pepinos de mar. Luego, los investigadores combinaron las fibras con una mezcla de polímero gomoso. Las fibras formaron una matriz uniforme en todas partes, reforzando el material polimérico más blando. Estos puntos de intersección mantienen unida la red, creando un material inflexible. Es como una red tridimensional en la que estas nanofibras se superponen en ciertos puntos, y donde se superponen, se adhieren entre sí, dice Weder.
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Vea el pepino de mar y los materiales que inspiró.
Él dice que las fibras de celulosa son particularmente buenas para unirse entre sí porque contienen muchos grupos hidroxilo en su superficie. En ausencia de cualquier otra molécula que contenga hidrógeno, estos grupos hidroxilo se unen formando una red fibrosa. Para romper los enlaces de las fibras y aflojar la red, el equipo de Weder inyectó un disolvente a base de agua en el material que contenía grupos de hidrógeno competitivos. En respuesta, las fibras de celulosa se desacoplaron cuando sus grupos de hidrógeno se combinaron con la solución de agua. Alternativamente, a medida que el agua se evaporó de la mezcla, las fibras se volvieron a conectar, volviéndose rígidas nuevamente.
En estado rígido, el material es como un plástico duro y rígido, muy parecido a la caja de su CD, dice Weder. Cuando el material se vuelve blando, se parece más a una goma. Él dice que si dicho material se usara para diseñar electrodos neuronales, podría diseñarse para responder al líquido en el cerebro, suavizándose cuando entra en contacto con el tejido nervioso.
Bizzi del MIT dice que un electrodo tan flexible alargaría el tiempo de grabación dentro del cerebro que es posible con los implantes neurales y proporcionaría datos valiosos para tratar afecciones como la enfermedad de Parkinson, el síndrome de Tourette y las lesiones de la médula espinal. El campo necesita nueva tecnología para que sea posible grabar durante períodos más largos de tiempo desde el cerebro, dice Bizzi. Si funciona, sería una bendición.
En las aplicaciones de electrodos, el material solo tendría que transformarse una vez, de rígido a blando, una vez dentro del cerebro. Weder dice que el material a base de celulosa se puede usar para otras aplicaciones que requieren cambiar de un estado rígido a uno más suave. Podrías pensar en un yeso inteligente, en el que querrías endurecerlo, pero de vez en cuando, querrás suavizarlo para poder mover el brazo, dice Weder. Entonces, en esa aplicación, le gustaría un material reversible.
Weder agrega que las fibras de celulosa se pueden obtener de fuentes distintas de los pepinos de mar, como la madera y el algodón, una vía que su equipo planea explorar.