Los hidrogeles nanocompuestos ( geles NC ) son redes poliméricas hidratadas y rellenas de nanomateriales que exhiben mayor elasticidad y resistencia en comparación con los hidrogeles fabricados tradicionalmente . Se utiliza una variedad de polímeros naturales y sintéticos para diseñar redes de nanocompuestos. Al controlar las interacciones entre las nanopartículas y las cadenas de polímeros , se pueden diseñar una variedad de propiedades físicas, químicas y biológicas. [1] La combinación de estructura orgánica (polímero) e inorgánica (arcilla) proporciona a estos hidrogeles propiedades físicas, químicas, eléctricas, biológicas y de hinchamiento/deshinchamiento mejoradas que no se pueden lograr con ninguno de los dos materiales por separado. [2] Inspirándose en los tejidos biológicos flexibles, los investigadores incorporan nanomateriales a base de carbono, poliméricos, cerámicos y/o metálicos para dar a estos hidrogeles características superiores como propiedades ópticas y sensibilidad al estímulo que pueden ser potencialmente muy útiles para los fines médicos (especialmente la administración de fármacos y la ingeniería celular) y campos mecánicos. [2]
Los hidrogeles nanocompuestos no deben confundirse con el nanogel , una nanopartícula compuesta por un hidrogel.
La síntesis de hidrogeles nanocompuestos es un proceso que requiere material y método específicos. Estos polímeros deben estar formados por plaquetas de arcilla igualmente espaciadas, de 30 nm de diámetro, que puedan hincharse y exfoliarse en presencia de agua. Las plaquetas actúan como enlaces cruzados para modificar las funciones moleculares y permitir que los hidrogeles tengan una elasticidad y dureza superiores que se asemejan mucho a las del tejido biológico. [3] Usar plaquetas de arcilla que no se hinchan ni se exfolian en agua, usar un reticulante orgánico como N,N-metilenbisacrilamida (BIS), mezclar arcilla y BIS, o preparar hidrogeles nanocompuestos con un método distinto al de reticulación. , no tendrá éxito. [4]
A pesar de todas las especificaciones, el proceso de síntesis de hidrogeles nanocompuestos es simple y, debido a la naturaleza flexible del material, estos hidrogeles se pueden hacer fácilmente en diferentes formas, como bloques enormes, láminas, películas delgadas, varillas, tubos huecos, esferas. , fuelles y láminas desiguales. [5]
Los hidrogeles nanocompuestos son resistentes y pueden resistir estiramientos, flexiones, nudos, aplastamientos y otras modificaciones.
Se realizaron pruebas de tracción en hidrogeles nanocompuestos para medir la tensión y la deformación que experimentan cuando se alargan a temperatura ambiente. Los resultados muestran que este material se puede estirar hasta el 1000% de su longitud original. [6]
La histéresis se utiliza para medir las propiedades de compresión de los hidrogeles nanocompuestos, lo que muestra que este material puede soportar alrededor del 90% de compresión. Estos datos muestran que los hidrogeles nanocompuestos exhiben una resistencia superior en relación con los hidrogeles fabricados convencionalmente , que se habrían descompuesto con una menor compresión.
La red porosa de partículas de arcilla permite que los hidrogeles nanocompuestos se hinchen en presencia de agua. La hinchazón (y la deshinchación) distingue a los geles NC de los hidrogeles fabricados convencionalmente (geles OR), ya que es una propiedad de la que carecen los geles OR. La propiedad de hinchamiento de los geles NC les permite recoger la solución acuosa circundante en lugar de disolverlos, lo que los convierte en buenos candidatos para la administración de fármacos. [7]
Se observa que los hidrogeles nanocompuestos son sensibles a la temperatura y cambiarán de temperatura cuando se altere su entorno. [8] Las sales inorgánicas, cuando se absorben, provocarán el cambio de los hidrogeles a una temperatura más baja, mientras que el tensioactivo catiónico cambiará la temperatura en sentido contrario. La temperatura de estos hidrogeles ronda los 40 grados centígrados, lo que los convierte en un posible candidato para su uso como biomaterial. [9] La sensibilidad al estímulo de los hidrogeles permite un sistema de liberación sensible en el que los hidrogeles pueden diseñarse para administrar el fármaco en respuesta a cambios en la condición del cuerpo.
Los hidrogeles nanocompuestos reforzados con nanomateriales a base de carbono son mecánicamente resistentes y eléctricamente conductores, lo que los hace adecuados para su uso en biomedicina, ingeniería de tejidos, administración de fármacos, biodetección , etc. La propiedad de conducción eléctrica de estos hidrogeles les permite imitar las características de Tejidos nerviosos, musculares y cardíacos. Sin embargo, aunque estos hidrogeles nanocompuestos demuestran algunas funciones del tejido humano en entornos de laboratorio, se necesita más investigación para garantizar su utilidad como reemplazo de tejido. [10]
Los hidrogeles nanocompuestos incorporados con nanopartículas poliméricas están diseñados para la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos. La adición de nanopartículas poliméricas proporciona a estos hidrogeles una red polimérica reforzada que es más rígida y tiene la capacidad de encerrar fármacos hidrófilos e hidrófobos junto con genes y proteínas. La alta propiedad de absorción de estrés los convierte en un candidato potencial para la ingeniería de tejido cartilaginoso. [10]
La mayoría de las nanopartículas inorgánicas utilizadas para los hidrogeles nanocompuestos ya están presentes en el cuerpo y son necesarias para él, por lo que no presentan impactos negativos en el mismo. Algunos de ellos, como el calcio y el silicio, ayudan a prevenir la pérdida ósea y el desarrollo esquelético. Otros, como las nanoarcillas, mejoran la formación estructural y las características de los hidrogeles donde adquieren propiedades de autocuración, estructuras retardantes de llama, elasticidad, membrana de superbarrera a gases, repelencia al aceite, etc. Las propiedades únicas que se obtienen al incorporar hidrogeles nanocompuestos con nanopartículas inorgánicas permitirá a los investigadores trabajar para mejorar la ingeniería de tejidos relacionados con los huesos. [10]
La conductividad eléctrica y térmica y las propiedades magnéticas de los metales mejoran la conductividad eléctrica y las propiedades antibacterianas de los hidrogeles nanocompuestos cuando se incorporan. La propiedad de conducción eléctrica es necesaria para que los hidrogeles comiencen a formar tejidos funcionales y se utilicen como agentes de formación de imágenes, sistemas de administración de fármacos, andamios conductores, componentes electrónicos conmutables, actuadores y sensores. [ cita necesaria ]
Los investigadores han estado buscando un material que pueda imitar las propiedades del tejido para hacer que el proceso de ingeniería de tejidos sea más eficaz y menos invasivo para el cuerpo humano. La red porosa e interconectada de hidrogeles nanocompuestos, creada mediante reticulación, permite que los desechos y nutrientes entren y salgan fácilmente de la estructura, y sus propiedades elastoméricas les permiten adquirir la forma anatómica deseada sin necesidad de un moldeo previo. La estructura porosa de este material también facilitaría el proceso de administración de fármacos , ya que los compuestos farmacéuticos presentes en el hidrogel pueden escapar fácilmente y ser absorbidos por el cuerpo. Aparte de eso, los investigadores también están estudiando la incorporación de hidrogeles nanocompuestos con nanopartículas de plata para aplicaciones antibacterianas y eliminación de microorganismos en el envasado médico y de alimentos y en el tratamiento del agua. Los hidrogeles infundidos con nanopartículas tienen una serie de aplicaciones biológicas, que incluyen: ingeniería de tejidos, detección química y biológica y administración de fármacos y genes.
Como sustitutos de tejidos, los hidrogeles nanocompuestos necesitan interactuar con las células y formar tejidos funcionales. Con las nanopartículas y nanomateriales incorporados, estos hidrogeles pueden imitar las propiedades físicas, químicas, eléctricas y biológicas de la mayoría de los tejidos nativos. Cada tipo de hidrogeles nanocompuestos tiene sus propias propiedades únicas que le permiten imitar ciertos tipos de tejido animal.
La aparición de hidrogeles nanocompuestos permite una administración más específica del sitio y en el tiempo controlado de medicamentos de diferentes tamaños con mayor seguridad y especificidad. Dependiendo del método de inserción de fármacos en el material, por ejemplo, disuelto, encerrado o adherido, el portador del fármaco se denominará de forma diferente: nanopartículas, nanoesferas (donde el fármaco se dispersa uniformemente por toda la red polimérica) o nanocápsulas (donde el fármaco se dispersa uniformemente por toda la red polimérica). El fármaco está rodeado por una estructura de cubierta de polímero). [7] La naturaleza elastomérica de este material permite que los hidrogeles obtengan la forma del sitio objetivo y, por lo tanto, los hidrogeles pueden fabricarse de manera idéntica y usarse en todos los pacientes. [11]
Los hidrogeles son agentes de administración controlada de fármacos que pueden diseñarse para tener las propiedades deseadas. [12] Específicamente, los hidrogeles pueden diseñarse para liberar fármacos u otros agentes en respuesta a características físicas del medio ambiente como la temperatura y el pH. [12] La capacidad de respuesta de los hidrogeles es el resultado de su estructura molecular y redes poliméricas. [12]
Las nanopartículas de hidrogel tienen un futuro prometedor en el campo de la administración de fármacos. Idealmente, los sistemas de administración de fármacos deberían “…maximizar la eficacia y la seguridad del agente terapéutico, administrando una cantidad adecuada a un ritmo adecuado y en el lugar más apropiado del cuerpo”. [13] La nanotecnología incorporada en los hidrogeles tiene el potencial de cumplir todos los requisitos de un sistema ideal de administración de fármacos. Los hidrogeles se han estudiado con una variedad de nanocompuestos que incluyen: arcilla, oro, plata, óxido de hierro, nanotubos de carbono, hidroxiapatita y fosfato tricálcico. [13]
Las nanopartículas, en gran parte debido a sus propiedades físicas relacionadas con el tamaño, son muy útiles como agentes de administración de fármacos. Pueden superar barreras fisiológicas y alcanzar objetivos específicos. [14] El tamaño, la carga superficial y las propiedades de las nanopartículas les permiten atravesar barreras biológicas que la mayoría de los demás portadores de fármacos no pueden. [14] Para ser aún más específicos, las nanopartículas se pueden recubrir con ligandos dirigidos. [14] La capacidad de las nanopartículas para administrar medicamentos a objetivos específicos sugiere el potencial de limitar los efectos secundarios sistémicos y las respuestas inmunes. [15]
La capacidad de las nanopartículas para transportar y liberar fármacos también depende en gran medida de las características que resultan del tamaño pequeño y la relación única entre superficie y volumen de las nanopartículas. Las nanopartículas generalmente pueden transportar medicamentos de dos maneras: los medicamentos pueden estar unidos al exterior de las nanopartículas o empaquetados dentro de la matriz polimérica de las nanopartículas. [14] Las nanopartículas más pequeñas tienen proporciones de área superficial más altas y, por lo tanto, pueden unir una gran cantidad de fármaco, mientras que las nanopartículas más grandes pueden encapsular una mayor cantidad del fármaco dentro de su núcleo. [15] El mejor método de carga de fármaco depende de las estructuras del fármaco que se va a unir. Además, la carga de fármacos puede ocurrir a medida que se producen las nanopartículas, o los fármacos pueden agregarse a nanopartículas preexistentes. [14] La liberación de fármacos depende en gran medida del tamaño de la nanopartícula que los transporta. Debido a que las nanopartículas pueden unirse a la superficie de las nanopartículas, que es grande en relación con el volumen de las partículas, los fármacos se pueden liberar rápidamente. Por el contrario, los fármacos que se cargan dentro de nanopartículas se liberan más lentamente. [14]
Las nanopartículas de plata se insertan en las redes poliméricas 3D de hidrogeles nanocompuestos para aplicaciones en actividad antibacteriana y mejora de la conductancia eléctrica. La presencia de iones de plata impide que la enzima respiratoria transfiera electrones a las moléculas de oxígeno durante la respiración o evita que las proteínas reaccionen con los grupos tiol (-SH) en la membrana bacteriana; ambos resultan en la muerte de bacterias y microorganismos sin dañar las células de los mamíferos. [16] El tamaño de estas nanopartículas de plata debe ser lo suficientemente pequeño como para atravesar la membrana celular y, por lo tanto, se requiere más investigación para fabricarlas en tamaños apropiados.
Algunas preocupaciones relacionadas con los hidrogeles infundidos con nanopartículas son las posibilidades de que exploten o de que se liberen de forma incompleta los fármacos. [13] Aunque se especula que los hidrogeles infundidos con nanopartículas son métodos bastante prometedores de administración de fármacos, proteínas, péptidos, oligosacáridos, vacunas y ácidos nucleicos, se requieren más estudios sobre la nanotoxicología y la seguridad antes de que se puedan llevar a cabo aplicaciones clínicas. [14] Además, para evitar la acumulación, los geles y nanopartículas biodegradables son muy deseables. [14]
