Existe una clase de materiales con la capacidad única de recuperarse de daños mecánicos, térmicos y químicos para restaurar sus propiedades originales sin ayuda externa. Conocidos como materiales "autorreparables", estas sustancias representan una prometedora área de investigación en el campo biomédico, donde tienen aplicaciones en el cuidado de heridas, dispositivos médicos, administración de fármacos y más.
Solo determinadas sustancias pueden autorrepararse siendo compatibles con los tejidos humanos y las complejas condiciones del interior del cuerpo. Nuestra investigación más reciente utilizando la CAS Content CollectionTM revela qué materiales poseen el mayor potencial para estos avances biomédicos y qué aplicaciones han logrado ya un mayor progreso.
Cómo funcionan los materiales autorreparables
El término "autorreparable" puede referirse a muchos materiales capaces de repararse a sí mismos a nivel macroscópico o molecular tras sufrir daños. En aplicaciones biomédicas, los materiales autorreparables más utilizados incorporan polímeros —es decir, moléculas grandes unidas entre sí— que han sido modificados para formar enlaces químicos reversibles. Se está investigando activamente una amplia variedad de polímeros, incluidos materiales de origen natural como el quitosano y materiales sintéticos como el PEG, en aplicaciones biomédicas autorreparables. Los materiales inorgánicos, los compuestos de coordinación y los metales también están bien representados en la literatura actual (véase la Figura 1).
Los polímeros presentan cualidades como flexibilidad y biocompatibilidad, fundamentales para su uso en el cuerpo humano. También pueden poseer grupos laterales diseñados para participar en interacciones de autorreparación, además de sus otras propiedades. Por ejemplo, los materiales autorreparables suelen contener enlaces de hidrógeno en su composición química, comunes en las proteínas, que pueden romperse y reformarse fácilmente incluso a temperatura ambiente.
¿Cómo se produce esta reformación? Imaginemos una sustancia similar a un gel que se hace pasar a través de una aguja. Si el gel contiene enlaces reversibles y autorreparables, estos pueden romperse temporalmente debido a la tensión ejercida sobre el gel al pasar por la aguja, lo que provoca que adquiera una consistencia líquida.
Posteriormente, dichos enlaces pueden reformarse, restaurando las propiedades de gel de la sustancia una vez dentro del cuerpo tras la inyección.
Aplicaciones médicas actuales y futuras
Los materiales autorreparables ya se utilizan en numerosos dispositivos implantados, apósitos para heridas y sistemas de administración de fármacos. Algunas de las investigaciones más interesantes en la actualidad se centran en los hidrogeles, un amplio grupo de materiales biocompatibles a base de agua que pueden diseñarse para poseer propiedades autorreparables. Las lentes de contacto blandas son un ejemplo de hidrogel de uso biomédico, pero los investigadores están descubriendo usos potenciales aún mayores para estos materiales:
- Cuidado de heridas: Los hidrogeles pueden imitar los tejidos humanos por su suavidad y flexibilidad, y pueden diseñarse con propiedades antibacterianas, lo que favorece la cicatrización. Por ejemplo, un grupo de investigadores desarrolló un hidrogel inyectable en lechos de heridas por quemaduras profundas e irregulares. Otros crearon un hidrogel autorreparable, inyectable y biocompatible para heridas cercanas a partes del cuerpo sometidas a estiramientos frecuentes, como rodillas y codos.
Cabe destacar que en estos hidrogeles se utilizan polímeros naturales como el quitosano y la celulosa. Estos materiales de origen vegetal ofrecen una buena estabilidad dentro del cuerpo y están ampliamente disponibles. Además, pueden modificarse químicamente para adquirir propiedades autorreparables, lo que explica por qué los polímeros naturales se citan con tanta frecuencia en las publicaciones sobre hidrogeles (véase la Figura 2).
- Andamiaje tisular: Los hidrogeles autorreparables están demostrando ser prometedores en medicina regenerativa, especialmente para promover el desarrollo de tejidos y órganos. Al actuar como andamios, estos materiales pueden repararse a sí mismos dentro del cuerpo incluso si sufren una lesión, favoreciendo así el crecimiento y la reparación de los tejidos.
Por ejemplo, investigadores desarrollaron un hidrogel de red de polímeros interpenetrados (IPN) mecánicamente compatible utilizando poliacrilamida (PAAM) y gelatina. El hidrogel de PAAM/gelatina igualaba las propiedades físicas y químicas del tejido natural de las cuerdas vocales, funcionando como un implante de tejido adhesivo artificial para la reparación de la voz.
Investigadores en China también desarrollaron un andamio compuesto de fibra e hidrogel para la generación de músculo. La fibra se obtuvo mediante electrohilado a partir de una mezcla de grafeno, melatonina y un polímero biocompatible como el ácido poliláctico o la policaprolactona, mientras que se utilizó un derivado del ácido hialurónico como matriz de hidrogel.
Los hidrogeles también pueden utilizarse para la regeneración de tejidos duros, como demostró un grupo de investigadores. El compuesto de hidrogel contenía fosfato cálcico formando enlaces reversibles con una matriz de dentina tratada con ácido poliacrílico-quitosano carboximetilado, seguido de enlaces iónicos y de hidrógeno dinámicos en la matriz. Este estudio demostró que el hidrogel conservaba su bioactividad y promovía la regeneración del tejido duro de dentina/hueso.
- Administración de fármacos: Los hidrogeles pueden diseñarse con enlaces cruzados reversibles que se rompen al experimentar esfuerzos cortantes al pasar por una aguja. El gel fluye como un líquido durante la inyección y puede volver a formarse dentro del cuerpo. Estos materiales también pueden cargarse con medicamentos —por ejemplo, en microcápsulas— para su administración en puntos específicos.
Por ejemplo, los investigadores demostraron que un hidrogel inyectable sensible al pH puede administrar fármacos oncológicos en zonas concretas del organismo y degradarse tras la administración. Otro equipo utilizó un hidrogel para administrar quimioterapia, activando el fármaco mediante ultrasonidos tras la inyección. Asimismo, se inyectó otro hidrogel en la cavidad de resección de un tumor para aplicar electroterapia sobre las células cancerosas residuales tras la cirugía. Este material bifásico permitió que el electrodo se adaptara a los bordes de la cavidad mientras generaba campos eléctricos de bajo voltaje cerca del tumor.
Materiales clave a seguir
Nuestro análisis de documentos y citas en la CAS Content Collection muestra un crecimiento constante en las publicaciones de revistas sobre materiales autorreparables en los últimos 20 años. El reciente aumento en la proporción de artículos frente a patentes sugiere que el enfoque sigue centrado en el desarrollo inicial más que en la comercialización.
Existen numerosas interacciones químicas para dotar a los polímeros de propiedades autorreparables, incluyendo enlaces covalentes y no covalentes. Entre las interacciones covalentes destacan los enlaces dinámicos de base de Schiff, muy utilizados en biomateriales y con un crecimiento significativo en los últimos cinco años. Estos enlaces se basan en reacciones entre un nucleófilo y un aldehído o cetona para formar un enlace, generalmente una imina u oxima, reversible en presencia de agua. Un ejemplo es el hidrogel autorreparable basado en una mezcla de ácido hialurónico modificado con dialdehído y cistamina.
Los puentes de hidrógeno, como se ha mencionado, son una interacción no covalente común, junto con las interacciones hidrofóbicas, huésped-anfitrión, electrostáticas, de apilamiento π-π y de coordinación metal-ligando, especialmente las que se producen entre catecoles e iones de hierro(III).
También observamos un aumento significativo en el uso de diisocianatos (véase la Figura 3), empleados en la síntesis de poliuretanos. Esto sugiere que los poliuretanos son una clase emergente de sustancias en los materiales autorreparables. Publicaciones de patentes recientes han abordado el uso de poliuretanos en apósitos autorreparables y un poliuretano funcionalizado con heparina con propiedades autorreparables basadas en puentes de hidrógeno y enlaces disulfuro.
La investigación de hoy, los avances del mañana
Los materiales autorreparables aún deben superar numerosos obstáculos antes de su comercialización generalizada en el ámbito médico. En muchos casos, requieren ensayos clínicos exhaustivos para garantizar su seguridad y eficacia. Aunque estas innovaciones son mayoritariamente experimentales, poseen un potencial inmenso para la medicina personalizada y la mejora de la calidad de vida de los pacientes. Pueden acelerar la curación, prevenir infecciones, administrar medicamentos en zonas de difícil acceso y mejorar los dispositivos que asisten a los sistemas corporales.
Al aprovechar los mejores materiales de la naturaleza junto con las innovaciones químicas, la comunidad científica puede abrir nuevas posibilidades para la salud y la recuperación mediante materiales autorreparables. Obtenga más información sobre estos materiales y las tendencias emergentes en el campo de los biomateriales en nuestro último Informe de Perspectivas.
Este artículo incorpora investigaciones realizadas en colaboración con la Universidad de Westlake, China.
