Ciencia hoy: La compleja (y fascinante) ciencia de los materiales biomiméticos

Las reacciones de reconocimiento y de autoensamblaje son de los procesos moleculares más fundamentales en organismos vivos. Ese tipo de reacciones son responsables de plegamientos, interacciones y agregación de proteínas y ácidos nucleicos.

Fuera del mundo vivo, la interacción entre fibras sintéticas y biopolímeros juega un papel científico y tecnológico importante en biomateriales e ingeniería tisular al ensamblar estructuras extracelulares y supramoleculares, antes de que ellos se unan con otros componentes formando polímeros funcionales. Muchas de esas interacciones químicas, pueden, en principio, llevarse a cabo en el laboratorio, con el objetivo de producir estructuras supramoleculares con propiedades y funciones diferentes a las que tenían las substancias de las que se originaron.

Además, los andamios poliméricos usados en ingeniería tisular, deben de satisfacer varias propiedades importantes como una alta porosidad, y una gran superficie, resistencia estructural, y formas tridimensionales específicas, características determinadas por las técnicas de fabricación a través de la obtención de estructuras supramoleculares.

Así también, en biomateriales, la biocompatibilidad es una propiedad esencial debido a la trombogenicidad de los materiales en contacto con la sangre, por lo que el diseño de ellos debe de incluir buscar la obtención de biocompatibilidad. Entre las proteínas de matriz extracelular, las colágenas son las mas abundantes, encontrándose en los tejidos conectivos, en piel, así como en la pared de los vasos sanguíneos; siendo por esto muy ventajoso el obtener un andamio (“scaffold”) para ingeniería tisular formado por una malla de nanofibras de colágena tipo I semejante en su medida y funciones químicas y biológicas a la colágena nativa encontrada en la matriz extracelular.

Las proteínas, son moléculas complejas, biopolímeros formados por cadenas de residuos de aminoácidos que interactúan una con otra y donde los enlaces de puente de hidrógeno son posibles, siendo además estos los responsables de la estabilización de conformaciones helicoidales de las proteínas, asi como de la interacción de ellas con poliamidas sintéticas.

Cada aminoácido en el biopolímero contribuye a las propiedades físicas y químicas de las proteínas y en algunos casos estas pueden ser moduladas de acuerdo con las condiciones fisiológicas presentes. Compositos de polímero-proteína se han investigado durante los últimos 25 años, y entre las proteínas que se han logrado conjugar con polímeros sintéticos se encuentran enzimas, anticuerpos, hormonas, citocinas, etc., siendo usualmente los grupos amino de la lisina los sitios reactivos para conjugación con proteínas, aunque los grupos –COOH, -OH y –SH también son sitios posibles.

Además, la colágena Tipo I puede unirse no solamente a moléculas orgánicas, ya que forma un composito con el nitinol, el cual se ha usado experimentalmente en conejos como una férula endovascular y recientemente se ha sintetizado un híbrido colágena Tipo I-Silica. Los nylons junto con otras poliamidas, están entre las fibras sintéticas más abundantes, siendo el Nylon 6,6 ya usado como biomaterial de sutura no-absorvible para cerrar piel.

Es conocido que proteínas de los biofluidos al ser adsorbidos en sólidos juegan un papel importante en las reacciones sistémicas a cuerpo extraño así como en la regeneración tisular, siendo también crítico para biocompatibilidad. Por lo tanto, la asociación de una fibra sintética con una proteína de la matriz extracelular, pudiera contribuir a modular in vitro propiedades de la proteína, con el fin de controlar en cierta extensión, la interacción con el proceso de adhesión celular, que es fundamental para los componentes de dispositivos médicos y biofluidos o tejidos. En la última década mucho se está aprendiendo del biomimetismo en el que se estudian estructuras biológicas, sus funciones y sus vías sintéticas para estimular nuevas ideas y desarrollarlas en la obtención de materiales sintéticos similares a aquellos que se encuentran en los sistemas biológicos. Las nanofibras existen ampliamente en tejidos humanos con diferentes patrones.

La nanotecnología de electrohilado ha logrado recientemente un nuevo ímpetu debido a la introducción del concepto de nanofibras biomiméticas para regeneración tisular. La técnica avanzada de electrohilado es un método prometedor para fabricar un andamio de nanofibras controlable en forma continua similar a la matriz extracelular natural.

Muchos piensan que el biomimetismo, enriqueciéndose con la Biología Molecular y dirigiéndose a través del diseño ingenieril, logrará materiales compositos mas complejos, con los requerimientos y demandas del futuro, inspirados en la forma en que la naturaleza lo hace. Las diferencias mas notables, y tecnológicamente atractivas, entre materiales naturales y sintéticos son la gran complejidad jerárquica y la multifuncionalidad de los materiales naturales.

Los autores de este artículo son el Dr. Carlos García Valdés y Victor M. Castaño. Cualquier comentario sobre esta columna, favor de dirigirlo a Víctor Castaño ([email protected])

Por: Carlos García Valdés y Victor M. Castaño