Hidrogeles elásticos que se regeneran como músculos

Durante el ejercicio, la tensión generada rompe fibras en nuestros músculos, las cuales son reemplazadas y reparadas por el cuerpo a través de un proceso celular en el que fusiona las fibras musculares para formar nuevas cadenas de proteínas musculares o miofibrillas utilizando el suministro de aminoácidos disponible. Estas miofibrillas reparadas aumentan en grosor y número para crear hipertrofia muscular (crecimiento) [1-3].

Recientemente, científicos de la Universidad de Hokkaido desarrollaron un hidrogel que funciona de manera similar a un músculo, fortaleciéndose cuando se le aplica estrés mecánico [4].

El material de hidrogel elástico aprovecha las propiedades mecánicas y químicas del polímero, en el que la que la fuerza mecánica inicia una reacción química. El hidrogel está compuesto por un 85% de agua y dos redes de polímeros entrecruzadas y entrelazadas. Cada una de dichas redes de polímeros está constituida por diferentes monómeros (unidades base). La red más rígida está formada a partir de poli (2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico), mientras que la otra red, hecha de poliacrilamida, es suave y elástica.

Materiales Con Crecimiento
FIGURA 1: El material hecho de polímeros entrelazados se vuelve más fuerte cuando se aplica un estrés mecánico.

Cuando se tira de ambos lados del hidrogel, el polímero elástico se estira, lo que evita que el hidrogel se rasgue, mientras que el polímero tenso se rompe, formando radicales de carbono en los extremos rotos de las cadenas de polímero. Estos radicales reaccionan rápidamente con el monómero entremezclado en todo el material para reconstruir la red de polímeros, de modo que cuando el hidrogel recupera su posición inicial, es más fuerte de lo que era originalmente. Los investigadores demuestran que el material se vuelve más fuerte mediante experimentos en donde el hidrogel puede levantar pesas más pesadas cada vez que se estira [5].

Según con una entrevista realizada a Rint P. Sijbesma, experto de la Universidad de Tecnología de Eindhoven, el hecho de crear una arquitectura molecular que contenga suficientes radicales para hacer un cambio macroscópico en las propiedades del hidrogel es una hazaña técnica y representa un avance significativo en el área de polímeros inteligentes sensibles.

No obstante, de acuerdo con los investigadores de la Universidad de Hokkaido, se deben realizar futuros estudios para mejorar el diseño del hidrogel, puesto que es necesario encontrar una manera de suministrar continuamente el sistema con monómeros. En el sistema actual, el monómero se agota después de cinco o seis repeticiones de estiramiento, periodo después del cual, el hidrogel se vuelve rígido y frágil. Además de que el sistema también es sensible al oxígeno, un problema común en las polimerizaciones radicales. Sin embargo, algunas de las posibles aplicaciones de estos materiales incluyen neumáticos de mayor duración, robots hechos de plástico flexible que pueden repararse a sí mismos e incluso crecer o trajes flexibles para pacientes con lesiones músculo-esqueléticas [4].


Referencias:

  1. Charge, S. B., & Rudnicki, M. A. (2004). Cellular and molecular regulation of muscle regeneration. Physiological reviews, 84(1), 209-238.
  2. Coffey, V. G., & Hawley, J. A. (2007). The molecular bases of training adaptation. Sports medicine, 37(9), 737-763.
  3. Schoenfeld, B. J. (2010). The mechanisms of muscle hypertrophy and their application to resistance training. The Journal of Strength & Conditioning Research, 24(10), 2857-2872.
  4. Matsuda, T., Kawakami, R., Namba, R., Nakajima, T., & Gong, J. P. (2019). Mechanoresponsive self-growing hydrogels inspired by muscle training. Science, 363(6426), 504-508.
  5. Ducrot, E., Chen, Y., Bulters, M., Sijbesma, R. P., & Creton, C. (2014). Toughening elastomers with sacrificial bonds and watching them break. Science, 344(6180), 186-189.

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