Los hidrogeles nanocompuestos ( geles NC ) son redes poliméricas hidratadas y rellenas de nanomateriales que presentan una mayor elasticidad y resistencia en relación con los hidrogeles fabricados tradicionalmente. Se utiliza una variedad de polímeros naturales y sintéticos para diseñar redes nanocompuestas. Al controlar las interacciones entre las nanopartículas y las cadenas de polímeros , se puede 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/deshinchazón mejoradas que no se pueden lograr con ninguno de los materiales por separado. [2] Inspirados por los tejidos biológicos flexibles, los investigadores incorporan nanomateriales poliméricos, cerámicos y/o metálicos a base de carbono para dar a estos hidrogeles características superiores como propiedades ópticas y sensibilidad a los estímulos que pueden ser potencialmente muy útiles para los campos médicos (especialmente la administración de fármacos y la ingeniería de células madre) y mecánicos. [2]
Los hidrogeles nanocompuestos no deben confundirse con el nanogel , una nanopartícula compuesta de un hidrogel.
La síntesis de hidrogeles nanocompuestos es un proceso que requiere un material y un método específicos. Estos polímeros deben estar formados por plaquetas de arcilla de 30 nm de diámetro, espaciadas de manera uniforme, 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 una dureza superiores que se asemejen mucho a las del tejido biológico. [3] El uso de plaquetas de arcilla que no se hinchen ni se exfolien en agua, el uso de un agente de reticulación orgánico como N,N-metilenbisacrilamida (BIS), la mezcla de arcilla y BIS o la preparación de hidrogeles nanocompuestos con un método distinto al de la reticulación no darán resultados. [4]
A pesar de todas las especificaciones, el proceso de síntesis de hidrogeles nanocompuestos es sencillo y, debido a la naturaleza flexible del material, estos hidrogeles pueden fabricarse fácilmente en diferentes formas, como bloques enormes, láminas, películas delgadas, varillas, tubos huecos, esferas, fuelles y láminas irregulares. [5]
Los hidrogeles nanocompuestos son resistentes y pueden soportar 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 puede estirarse hasta el 1000% de su longitud original. [6]
La histéresis se utiliza para medir las propiedades de compresión de los hidrogeles nanocompuestos, lo que demuestra que este material puede soportar una compresión de alrededor del 90 %. Estos datos muestran que los hidrogeles nanocompuestos presentan una resistencia superior a la de los hidrogeles fabricados de manera convencional , que se habrían descompuesto con una compresión menor.
La red porosa de partículas de arcilla permite que los hidrogeles nanocompuestos se hinchen en presencia de agua. El hinchamiento (y la deshinchazón) 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 disolverse en ella, lo que ayuda a convertirlos en buenos candidatos para los transportadores de fármacos. [7]
Se ha observado 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, harán que los hidrogeles cambien a una temperatura más baja, mientras que el surfactante catiónico cambiará la temperatura en sentido contrario. La temperatura de estos hidrogeles ronda los 40 grados Celsius, lo que los convierte en un posible candidato para su uso como biomaterial. [9] La sensibilidad a los estímulos de los hidrogeles permite un sistema de liberación reactiva donde 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 conductividad eléctrica de estos hidrogeles les permite imitar las características de los 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 asegurar su utilidad como reemplazo de tejidos. [10]
Los hidrogeles nanocompuestos que incorporan 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 tensiones los convierte en un candidato potencial para la ingeniería de tejidos de cartílago. [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 efectos negativos en él. Algunas de ellas, como el calcio y el silicio, ayudan a prevenir la pérdida ósea y el desarrollo del esqueleto. Otras, como las nanoarcillas, mejoran la formación estructural y las características de los hidrogeles, adquiriendo propiedades de autocuración, estructuras ignífugas, elasticidad, membrana de súper barrera de gases, repelencia al aceite, etc. Las propiedades únicas obtenidas al incorporar hidrogeles nanocompuestos con nanopartículas inorgánicas permitirán a los investigadores trabajar en la mejora de la ingeniería de tejidos relacionada con los huesos. [10]
La conductividad eléctrica y térmica y la propiedad magnética de los metales mejoran la conductividad eléctrica y la propiedad antibacteriana 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, andamiajes conductores, electrónica conmutable, actuadores y sensores. [ cita requerida ]
Los investigadores han estado buscando un material que pueda imitar las propiedades de los tejidos para que el proceso de ingeniería tisular sea más eficaz y menos invasivo para el cuerpo humano. La red porosa e interconectada de hidrogeles nanocompuestos, creada mediante enlaces cruzados, permite que los desechos y los nutrientes entren y salgan fácilmente de la estructura, y sus propiedades elastoméricas les permiten adquirir la forma anatómica deseada sin necesidad de un moldeado previo. La estructura porosa de este material también facilitaría el proceso de administración de medicamentos , 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 varias aplicaciones biológicas, entre ellas: ingeniería tisular, detección química y biológica y administración de fármacos y genes.
Como sustitutos de tejidos, los hidrogeles nanocompuestos deben interactuar con las células y formar tejidos funcionales. Con las nanopartículas y los nanomateriales incorporados, estos hidrogeles pueden imitar las propiedades físicas, químicas, eléctricas y biológicas de la mayoría de los tejidos nativos. Cada tipo de hidrogel nanocompuesto tiene sus propias propiedades únicas que le permiten imitar ciertos tipos de tejido animal.
La aparición de hidrogeles nanocompuestos permite una administración más específica en el sitio y controlada en el tiempo de medicamentos de diferentes tamaños con mayor seguridad y especificidad. Dependiendo del método de inserción de los medicamentos en el material, por ejemplo, disueltos, encapsulados o adheridos, el portador del medicamento recibirá diferentes nombres: nanopartículas, nanoesferas (donde el medicamento se dispersa uniformemente por toda la red polimérica) o nanocápsulas (donde el medicamento está rodeado por una estructura de cubierta de polímero). [7] La naturaleza elastomérica de este material permite que los hidrogeles adquieran la forma del sitio objetivo y, por lo tanto, los hidrogeles se pueden fabricar de manera idéntica y utilizar en todos los pacientes. [11]
Los hidrogeles son agentes de administración controlada de fármacos que pueden diseñarse para que tengan las propiedades deseadas. [12] En concreto, los hidrogeles pueden diseñarse para liberar fármacos u otros agentes en respuesta a características físicas del entorno, como la temperatura y el pH. [12] La capacidad de respuesta de los hidrogeles es el resultado de su estructura molecular y sus redes de polímeros. [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 apropiada a una velocidad adecuada y en el sitio más apropiado en el cuerpo”. [13] La nanotecnología incorporada en los hidrogeles tiene el potencial de cumplir con todos los requisitos de un sistema ideal de administración de fármacos. Los hidrogeles se han estudiado con una variedad de nanocompuestos, incluidos: arcilla, oro, plata, óxido de hierro, nanotubos de carbono, hidroxiapatita y fosfato tricálcico. [13]
Las nanopartículas, en gran medida 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 pueden recubrirse con ligandos de orientación. [14] La capacidad de las nanopartículas para administrar fármacos a objetivos específicos sugiere el potencial de limitar los efectos secundarios sistémicos y las respuestas inmunitarias. [15]
La capacidad de las nanopartículas para transportar y liberar fármacos también depende en gran medida de las características que resultan del pequeño tamaño y la relación única entre el área superficial y el volumen de las nanopartículas. Las nanopartículas generalmente pueden transportar fármacos de dos maneras: los fármacos pueden estar unidos al exterior de las nanopartículas o empaquetados dentro de la matriz polimérica de las nanopartículas. [14] Las nanopartículas más pequeñas tienen relaciones de área superficial más altas y, por lo tanto, pueden unir una gran cantidad de fármaco, mientras que las nanopartículas más grandes pueden encapsular más 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 del fármaco 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 lo 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 pueden liberarse rápidamente. En contraste, los fármacos que se cargan dentro de las nanopartículas se liberan más lentamente. [14]
Las nanopartículas de plata se insertan en las redes poliméricas 3D de los hidrogeles nanocompuestos para aplicaciones en la actividad antibacteriana y la 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 impide que las proteínas reaccionen con los grupos tiol (-SH) de la membrana bacteriana; ambos factores provocan la muerte de las bacterias y los 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, por lo que se requieren más investigaciones para fabricarlas en tamaños adecuados.
Algunas de las preocupaciones relacionadas con los hidrogeles infundidos con nanopartículas son las posibilidades de que se rompan o de que los fármacos se liberen de forma incompleta. [13] Aunque se especula que los hidrogeles infundidos con nanopartículas son métodos bastante prometedores para la administración de fármacos, proteínas, péptidos, oligosacáridos, vacunas y ácidos nucleicos, se requieren más estudios sobre nanotoxicología y seguridad antes de poder buscar aplicaciones clínicas. [14] Además, para evitar la acumulación, los geles y las nanopartículas biodegradables son muy deseables. [14]
