Los materiales biomiméticos son aquellos desarrollados a partir de la inspiración de la naturaleza . Esto puede resultar útil en el diseño de materiales compuestos . Las estructuras naturales han inspirado e innovado las creaciones humanas. [1] Entre los ejemplos notables de estas estructuras naturales se incluyen: la estructura en forma de panal de la colmena, la resistencia de las sedas de araña, la mecánica del vuelo de las aves y la repelencia al agua de la piel del tiburón . [2] Las raíces etimológicas del neologismo "biomimético" derivan del griego, ya que bios significa "vida" y mimetikos significa "imitativo". [ cita requerida ]
Los materiales biomiméticos en ingeniería de tejidos son materiales que han sido diseñados de tal manera que provocan respuestas celulares específicas mediadas por interacciones con péptidos anclados al andamiaje de proteínas de la matriz extracelular (ECM) ; esencialmente, la incorporación de péptidos de unión celular en biomateriales a través de modificación química o física. [3] Los aminoácidos ubicados dentro de los péptidos son utilizados como bloques de construcción por otras estructuras biológicas. Estos péptidos a menudo se denominan " péptidos autoensambladores ", ya que pueden modificarse para contener motivos biológicamente activos . Esto les permite replicar información derivada del tejido y reproducir la misma información de forma independiente. Por lo tanto, estos péptidos actúan como bloques de construcción capaces de realizar múltiples actividades bioquímicas, incluida la ingeniería de tejidos. [4] La investigación de ingeniería de tejidos que se realiza actualmente en péptidos de cadena corta y de cadena larga aún se encuentra en etapas iniciales.
Estos péptidos incluyen tanto cadenas largas nativas de proteínas de la matriz extracelular como secuencias peptídicas cortas derivadas de proteínas intactas de la matriz extracelular. La idea es que el material biomimético imite algunas de las funciones que desempeña una matriz extracelular en el tejido neuronal . Además de promover el crecimiento y la movilización celular, los péptidos incorporados también podrían mediar mediante enzimas proteasas específicas o iniciar respuestas celulares que no están presentes en un tejido nativo local. [3]
En un principio, se utilizaban cadenas largas de proteínas de la matriz extracelular, como la fibronectina (FN), la vitronectina (VN) y la laminina (LN), pero más recientemente se han descubierto las ventajas de utilizar péptidos cortos. Los péptidos cortos son más ventajosos porque, a diferencia de las cadenas largas que se pliegan aleatoriamente tras la adsorción, lo que hace que los dominios de proteína activos no estén disponibles estéricamente , los péptidos cortos permanecen estables y no ocultan los dominios de unión al receptor cuando se adsorben. Otra ventaja de los péptidos cortos es que se pueden replicar de forma más económica debido a su menor tamaño. Se utiliza un reticulante bifuncional con un brazo espaciador largo para unir los péptidos a la superficie del sustrato . Si no hay un grupo funcional disponible para unir el reticulante, se puede utilizar la inmovilización fotoquímica . [3]
Además de modificar la superficie, los biomateriales pueden modificarse en masa, lo que significa que los péptidos de señalización celular y los sitios de reconocimiento están presentes no solo en la superficie sino también en toda la masa del material. La fuerza de la unión celular, la tasa de migración celular y el grado de formación de la organización del citoesqueleto están determinados por la unión del receptor al ligando unido al material; por lo tanto, la afinidad receptor-ligando, la densidad del ligando y la distribución espacial del ligando deben considerarse cuidadosamente al diseñar un material biomimético. [3]
Las proteínas de la matriz extracelular del esmalte en desarrollo (como la amelogenina ) controlan la deposición mineral inicial ( nucleación ) y el crecimiento posterior de los cristales, determinando en última instancia las propiedades físico-mecánicas del tejido mineralizado maduro. Los nucleadores reúnen los iones minerales de los fluidos circundantes (como la saliva) en forma de una estructura de red cristalina, estabilizando los núcleos pequeños para permitir el crecimiento de los cristales, formando tejido mineral. [5] Las mutaciones en las proteínas de la matriz extracelular del esmalte dan lugar a defectos del esmalte como la amelogénesis imperfecta . Se cree que el colágeno tipo I tiene un papel similar en la formación de la dentina y el hueso. [6] [7]
El esmalte dental (así como la dentina y el hueso) está formado por hidroxiapatita con iones extraños incorporados en su estructura. Los sustituyentes heteroiónicos más comunes son el carbonato , el flúor y el magnesio . [8]
En una estrategia de mineralización biomimética basada en la histogénesis normal del esmalte , se forma un andamio tridimensional para atraer y organizar iones de calcio y/o fosfato para inducir la precipitación de novo de hidroxiapatita. [9]
Se han aplicado dos estrategias generales. Una de ellas es utilizar fragmentos que se sabe que sustentan la mineralización de proteínas naturales, como la amelogenina, el colágeno o la fosfoforina dentinaria como base. [10] Como alternativa, se han diseñado estructuras macromoleculares de novo para sustentar la mineralización, no basadas en moléculas naturales, sino en un diseño racional. Un ejemplo es el oligopéptido P11-4 . [11]
En ortopedia dental e implantes, una estrategia más tradicional para mejorar la densidad del hueso maxilar subyacente es la aplicación in situ de materiales de fosfato de calcio. Los materiales más utilizados son la hidroxiapatita, el fosfato tricálcico y el cemento de fosfato de calcio . [12] Los vidrios bioactivos más nuevos siguen esta línea de estrategia, en la que la silicona añadida proporciona una importante ventaja a la absorción local de calcio. [13]
Muchos estudios utilizan la laminina-1 al diseñar un material biomimético. La laminina es un componente de la matriz extracelular que puede promover la unión y diferenciación de neuronas, además de guiar el crecimiento de los axones . Su principal sitio funcional para la bioactividad es su dominio proteico central isoleucina - lisina - valina - alanina - valina (IKVAV), que se encuentra en la cadena α-1 de la laminina . [14]
Un estudio reciente de Wu, Zheng et al., sintetizó una nanofibra de péptido IKVAV autoensamblada y probó su efecto en la adhesión de células pc12 similares a neuronas . La adhesión celular temprana es muy importante para prevenir la degeneración celular; cuanto más tiempo estén suspendidas las células en cultivo, más probabilidades hay de que se degeneren. El propósito era desarrollar un biomaterial con buena adherencia celular y bioactividad con IKVAV, que sea capaz de inhibir la diferenciación y adhesión de células gliales además de promover la adhesión y diferenciación de células neuronales . [14] El dominio del péptido IKVAV está en la superficie de las nanofibras de modo que está expuesto y accesible para promover interacciones de contacto celular. Las nanofibras IKVAV promovieron una adherencia celular más fuerte que la atracción electrostática inducida por poli-L-lisina , y la adherencia celular aumentó con el aumento de la densidad de IKVAV hasta que se alcanzó el punto de saturación. IKVAV no exhibe efectos dependientes del tiempo porque se demostró que la adherencia era la misma a la hora y a las 3 horas. [14]
Se sabe que la laminina estimula el crecimiento de las neuritas y desempeña un papel en el sistema nervioso en desarrollo. Se sabe que los gradientes son fundamentales para la guía de los conos de crecimiento hacia sus tejidos objetivo en el sistema nervioso en desarrollo . Se han realizado muchas investigaciones sobre gradientes solubles; sin embargo, se ha puesto poco énfasis en los gradientes de sustancias unidas al sustrato de la matriz extracelular, como la laminina. [15] Dodla y Bellamkonda fabricaron un gel de agarosa anisotrópico 3D con gradientes de laminina-1 acoplada (LN-1). Se demostró que los gradientes de concentración de LN-1 promueven una extensión de neuritas más rápida que la tasa de crecimiento de neuritas más alta observada con concentraciones isotrópicas de LN-1. Las neuritas crecieron tanto hacia arriba como hacia abajo de los gradientes, pero el crecimiento fue más rápido en gradientes menos pronunciados y fue más rápido hacia arriba de los gradientes que hacia abajo de los gradientes. [15]
Los polímeros electroactivos (EAP, por sus siglas en inglés) también se conocen como músculos artificiales. Los EAP son materiales poliméricos y pueden producir una gran deformación cuando se aplican en un campo eléctrico. Esto ofrece un gran potencial en aplicaciones en biotecnología y robótica, sensores y actuadores. [16]
La producción de colores estructurales concierne a una amplia gama de organismos. Desde bacterias ( cepa de Flavobacterium IR1) [17] hasta organismos multicelulares ( Hibiscus trionum , [18] Doryteuthis pealeii (calamar), [19] o Chrysochroa fulgidissima (escarabajo) [20] ), la manipulación de la luz no se limita a formas de vida raras y exóticas. Diferentes organismos desarrollaron diferentes mecanismos para producir colores estructurales: cutícula multicapa en algunos insectos [20] y plantas, [21] superficie enrejada en plantas, [18] células organizadas geométricamente en bacterias... todos ellos representan una fuente de inspiración para el desarrollo de materiales coloreados estructuralmente. El estudio del abdomen de la luciérnaga reveló la presencia de un sistema de 3 capas que comprende la cutícula, la capa fotogénica y luego una capa reflectora. La microscopía de la capa reflectora reveló una estructura granulada. Directamente inspirada en la capa reflectora de la luciérnaga, una película granulada artificial compuesta de perlas de sílice huecas de aproximadamente 1,05 μm se correlacionó con un alto índice de reflexión y podría usarse para mejorar la emisión de luz en sistemas quimioluminiscentes . [22]
Las enzimas artificiales son materiales sintéticos que pueden imitar (parcialmente) la función de una enzima natural sin ser necesariamente una proteína. Entre ellos, algunos nanomateriales se han utilizado para imitar las enzimas naturales. Estos nanomateriales se denominan nanozimas. Las nanozimas, así como otras enzimas artificiales, han encontrado amplias aplicaciones, desde la biodetección y los inmunoensayos hasta el crecimiento de células madre y la eliminación de contaminantes. [23]
Los compuestos biomiméticos se están fabricando imitando estrategias de diseño naturales. Se han estudiado los diseños o estructuras que se encuentran en animales y plantas y se aplican estas estructuras biológicas para fabricar estructuras compuestas. Los investigadores están utilizando técnicas de fabricación avanzadas, como la impresión 3D, para fabricarlas. [24]