La nanobiomecánica (también bionanomecánica ) es un campo de la nanociencia y la biomecánica que combina las poderosas herramientas de la nanomecánica para explorar la ciencia fundamental de los biomateriales y la biomecánica.
Desde su introducción por su fundador Yuan-Cheng Fung , el campo de la biomecánica se ha convertido en una de las ramas de la mecánica y la biociencia. Durante muchos años, la biomecánica ha examinado los tejidos . Gracias a los avances en nanociencia, la escala de las fuerzas que se podían medir y también la escala de observación de los biomateriales se redujo a los niveles "nano" y "pico". En consecuencia, se hizo posible medir las propiedades mecánicas de los materiales biológicos a escala nanométrica . Esto es relevante para mejorar los procesos de ingeniería de tejidos y la terapia celular. [1]
La mayoría de los materiales biológicos tienen diferentes niveles jerárquicos, y los más pequeños se refieren a la nanoescala. Por ejemplo, el hueso tiene hasta siete niveles de organización biológica , y el nivel más pequeño, es decir, las fibrillas de colágeno individuales y los minerales de hidroxiapatita tienen dimensiones muy por debajo de los 100 nm. Por lo tanto, poder investigar las propiedades a estas pequeñas escalas proporciona una gran oportunidad para comprender mejor las propiedades fundamentales de estos materiales. Por ejemplo, las mediciones han demostrado que existe heterogeneidad nanomecánica incluso dentro de fibrillas de colágeno individuales tan pequeñas como 100 nm. [2]
Uno de los temas más relevantes en este campo es la medición de pequeñas fuerzas sobre las células vivas para reconocer cambios causados por diferentes enfermedades , incluida la progresión de la enfermedad. [1] [3] Por ejemplo, se ha demostrado que los glóbulos rojos infectados por malaria son 10 veces más rígidos que las células normales. [4] Asimismo, se ha demostrado que las células cancerosas son un 70 por ciento más blandas que las células normales. [3] Los primeros signos del envejecimiento del cartílago y la osteoartritis se han demostrado al observar los cambios en el tejido a escala nanométrica. [5]
Los métodos comunes en nanobiomecánica incluyen microscopía de fuerza atómica (AFM), nanoindentación y aplicación de nanopartículas . [6] [7] [8] Estos y otros métodos se pueden aplicar a materiales relevantes, por ejemplo: hueso [6] y sus constituyentes jerárquicos como fibrillas de colágeno individuales, células vivas individuales, filamentos de actina y microtúbulos . [9]
Para obtener una descripción de la microscopía de fuerza atómica (AFM), consulte microscopía de fuerza atómica .
La AFM se ha utilizado para estudiar el nivel nanométrico del citoesqueleto y sus componentes, la matriz extracelular y el entorno celular. Comprender la mecánica de la célula, incluso a nivel nanométrico, está estrechamente relacionado con la comprensión de estas moléculas y estructuras. Como todo esto afecta al comportamiento de la célula, es beneficioso para la ingeniería de tejidos. [7] Un ejemplo de esto es cuando los investigadores aplicaron la AFM en modo de golpeteo para estudiar la reparación ósea a partir de células mesenquimales modificadas genéticamente . A través de este método, pudieron obtener imágenes de estructuras en el hueso a escala nanométrica que sugerían la presencia de colágeno. [6]
La AFM también se ha aplicado para medir las propiedades mecánicas de proteínas y otras biomoléculas en una variedad de condiciones a través de experimentos de extensión y compresión. [10] Además, se ha aplicado al mapeo de las propiedades mecánicas de las células y las membranas, la mecanotransducción , cómo las células se adhieren o se desprenden según la superficie en la que se encuentran y sus propias moléculas, y la rigidez de las células. [7]
Como se ha demostrado que las células metastásicas son más blandas que las células benignas mediante AFM, la mecánica de las células cancerosas puede ser útil para diagnosticar el cáncer. [11] [7]
Para obtener una descripción de la nanoindentación, consulte nanoindentación .
La nanoindentación se ha aplicado a estudios biomecánicos . Un ejemplo de ello fue el estudio de la reparación ósea a partir de células mesenquimales modificadas genéticamente. Los científicos comprimieron una sonda con un radio nanométrico tanto en el hueso nativo como en el de reparación y la utilizaron para estudiar la deformabilidad del tejido . Esto les permitió conocer mejor las propiedades mecánicas del hueso, incluida su rigidez. La nanoindentación también les permitió estudiar la compresibilidad del hueso a través de curvas de carga y descarga. [6]
Además, la nanoindentación se puede combinar con otros métodos en estudios específicos. Un ejemplo es la nanoindentación AFM, que se ha aplicado para estudiar los componentes subcelulares en células vivas . [1]
Para una descripción de las nanopartículas, consulte nanopartículas .
Las nanopartículas afectan a las células a escala nanométrica y son un método para estudiar las propiedades mecánicas de las células y los biomateriales a escala nanométrica. Las nanopartículas afectan la forma en que las células se adhieren a los sustratos y la rigidez de la célula. También afectan a los componentes del citoesqueleto de la célula , que a su vez afectan la motilidad celular , ya que se unen e interactúan con estructuras como los receptores y el ARN . [8]
Como estas nanopartículas afectan la nanobiomecánica de las células , son herramientas valiosas para estudiarlas. Por ejemplo, se han incrustado nanopartículas en las superficies de las estructuras para alterar el entorno nanotopográfico y afectaron el comportamiento de la célula. Esto incluyó cómo se propagan las células, cómo se ensamblan los componentes del citoesqueleto y cómo se adhieren las células. Algunas nanopartículas incluidas tienen propiedades magnéticas y se han utilizado junto con campos magnéticos para el control detallado de las superficies celulares y otros estudios. [8]
Las nanopartículas son útiles para estudiar las formas en que las células adaptan las fuerzas físicas a señales bioquímicas y las propiedades mecánicas de los componentes celulares. También se han utilizado en procesos como la microrreología de seguimiento de partículas . [8]