Los materiales biomiméticos son materiales desarrollados inspirándose en la naturaleza . Esto puede resultar útil en el diseño de materiales compuestos . Las estructuras naturales han inspirado e innovado las creaciones humanas. [1] Ejemplos notables de estas estructuras naturales incluyen: la estructura de panal de la colmena, la fuerza de las sedas de araña, la mecánica del vuelo de las aves y la repelencia al agua de la piel de tiburón . [2] Las raíces etimológicas del neologismo "biomimético" derivan del griego, ya que bios significa "vida" y mimetikos significa "imitativo". [ cita necesaria ]
Los materiales biomiméticos en ingeniería de tejidos son materiales que han sido diseñados de manera que provoquen respuestas celulares específicas mediadas por interacciones con péptidos unidos a andamios de proteínas de la matriz extracelular (MEC) ; esencialmente, la incorporación de péptidos de unión a células en biomateriales mediante modificación química o física. [3] Los aminoácidos ubicados dentro de los péptidos se utilizan como componentes básicos de otras estructuras biológicas. Estos péptidos a menudo se denominan " péptidos autoensamblantes ", 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 tanto, estos péptidos actúan como componentes básicos capaces de realizar múltiples actividades bioquímicas, incluida la ingeniería de tejidos. [4] La investigación de ingeniería de tejidos que se realiza actualmente con péptidos de cadena corta y de cadena larga aún se encuentra en etapas iniciales.
Dichos péptidos incluyen tanto cadenas largas nativas de proteínas de la MEC como secuencias peptídicas cortas derivadas de proteínas de la MEC intactas. La idea es que el material biomimético imite algunas de las funciones que desempeña una ECM en el tejido neural . Además de promover el crecimiento y la movilización celular, los péptidos incorporados también podrían mediar mediante enzimas proteasas específicas o iniciar respuestas celulares no presentes en un tejido nativo local. [3]
Al principio, se utilizaron cadenas largas de proteínas de la MEC, incluidas fibronectina (FN), vitronectina (VN) y 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 durante la adsorción, lo que hace que los dominios proteicos activos estén estéricamente no disponibles, 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 pueden replicarse 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 se pueden modificar en masa, lo que significa que los péptidos de señalización celular y los sitios de reconocimiento están presentes no sólo 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 citoesquelética 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 posterior crecimiento de cristales, determinando en última instancia las propiedades físico-mecánicas del tejido mineralizado maduro. Los nucleadores reúnen iones minerales de los fluidos circundantes (como la saliva) en forma de una estructura de red cristalina, estabilizando núcleos pequeños para permitir el crecimiento de cristales, formando tejido mineral. [5] Las mutaciones en las proteínas de la ECM del esmalte provocan defectos del esmalte como la amelogénesis imperfecta . Se cree que el colágeno tipo I tiene una función similar en la formación de dentina y hueso. [6] [7]
El mineral del esmalte dental (así como la dentina y el hueso) está hecho de hidroxiapatita con iones extraños incorporados en la estructura. El carbonato , el fluoruro y el magnesio son los sustituyentes heteroiónicos más comunes. [8]
En una estrategia de mineralización biomimética basada en la histogénesis normal del esmalte , se forma una estructura 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. Uno de ellos utiliza como base fragmentos que se sabe que apoyan las proteínas de mineralización natural, como la amelogenina, el colágeno o la dentina fosfoforina. [10] Alternativamente, se han diseñado estructuras macromoleculares de novo para soportar la mineralización, no basándose en moléculas naturales, sino en un diseño racional. Un ejemplo es el oligopéptido P11-4 . [11]
En ortopedia e implantes dentales, una estrategia más tradicional para mejorar la densidad del hueso de la mandíbula subyacente es mediante la aplicación in situ de materiales de fosfato de calcio. Los materiales comúnmente utilizados incluyen hidroxiapatita, fosfato tricálcico y cemento de fosfato cálcico . [12] Los vidrios bioactivos más nuevos siguen esta línea de estrategia, donde la silicona añadida proporciona una ventaja importante para la absorción local de calcio. [13]
Muchos estudios utilizan laminina-1 al diseñar un material biomimético. La laminina es un componente de la matriz extracelular que puede promover la unión y diferenciación de las 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 realizado por Wu, Zheng et al., sintetizó una nanofibra peptídica IKVAV autoensamblada y probó su efecto sobre 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 objetivo fue 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 peptídico IKVAV está en la superficie de las nanofibras para que quede expuesto y accesible para promover interacciones de contacto celular. Las nanofibras de IKVAV promovieron una adherencia celular más fuerte que la atracción electrostática inducida por la poli-L-lisina , y la adherencia celular aumentó al aumentar la densidad de IKVAV hasta que se alcanzó el punto de saturación. IKVAV no presenta efectos dependientes del tiempo porque se demostró que la adherencia es la misma a 1 hora y a las 3 horas. [14]
Se sabe que la laminina estimula el crecimiento de neuritas y desempeña un papel en el sistema nervioso en desarrollo. Se sabe que los gradientes son críticos para guiar 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 3D anisotrópico 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 en los gradientes, pero el crecimiento fue más rápido en gradientes menos pronunciados y fue más rápido hacia arriba que hacia abajo. [15]
Los polímeros electroactivos (EAP) también se conocen como músculos artificiales. Los EAP son materiales poliméricos y pueden producir grandes deformaciones cuando se aplican en un campo eléctrico. Esto proporciona un gran potencial en aplicaciones de biotecnología y robótica, sensores y actuadores. [dieciséis]
La producción de colores estructurales afecta a una gran variedad de organismos. Desde bacterias ( flavobacterium cepa 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 especies raras y formas de vida exóticas. Diferentes organismos desarrollaron diferentes mecanismos para producir colores estructurales: cutículas multicapa en algunos insectos [20] y plantas, [21] superficies como rejillas en las plantas, [18] células organizadas geométricamente en bacterias... todos estos temas representan una fuente de inspiración. hacia el desarrollo de materiales estructuralmente coloreados. 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. Inspirada directamente en la capa reflectora de la luciérnaga, una película granulada artificial compuesta de perlas huecas de sílice 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 la función (parcial) de una enzima natural sin ser necesariamente una proteína. Entre ellos, se han utilizado algunos nanomateriales para imitar enzimas naturales. Estos nanomateriales se denominan nanozimas. Las nanozimas, así como otras enzimas artificiales, han encontrado amplias aplicaciones, desde biodetección e inmunoensayos hasta el crecimiento de células madre y la eliminación de contaminantes. [23]
Los compuestos biomiméticos se fabrican imitando estrategias de diseño naturales. Se han estudiado los diseños o estructuras que se encuentran en animales y plantas y estas estructuras biológicas se aplican para fabricar estructuras compuestas. El investigador utiliza técnicas de fabricación avanzadas, como la impresión 3D, para fabricarlos. [24]