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Los materiales similares a gel que se pueden inyectar en el cuerpo tienen un gran potencial para curar el tejido lesionado o crear tejido completamente nuevo. Muchos investigadores están trabajando para desarrollar estos hidrogeles con fines biomédicos, pero hasta ahora muy pocos han llegado a la clínica.
Para ayudar a guiar el desarrollo de estos materiales, que están hechos de bloques de construcción a microescala similares a los LEGO blandos, los investigadores del MIT y la Universidad de Harvard crearon un conjunto de modelos informáticos para predecir la estructura, las propiedades mecánicas y el rendimiento funcional del material. Los investigadores esperan que su nuevo marco pueda facilitar el diseño de materiales moldeables por inyección para diferentes tipos de aplicaciones, que hasta ahora ha sido principalmente un proceso de prueba y error.
«Es realmente emocionante desde la perspectiva del hardware y desde la perspectiva de la aplicación clínica», dice Ellen Roche, profesora asociada de ingeniería mecánica y miembro del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas del MIT. «En términos más generales, es un gran ejemplo de tomar datos de laboratorio y sintetizarlos en algo utilizable que pueda brindarle una guía predictiva que podría aplicarse a cosas más allá de estos hidrogeles».
Roche y Jennifer Lewis, profesora Hansjörg Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard, son los autores principales del estudio, que aparece hoy en la revista pregunta. Connor Verheyen, estudiante graduado en el Programa Harvard-MIT en Ciencias y Tecnología de la Salud, es el autor principal del artículo.
Modelado de materiales
Cuando los bloques de hidrogel individuales se empaquetan densamente, forman un material similar a un gel conocido como matriz granular. Estos materiales pueden actuar como sólidos o líquidos, según las condiciones, lo que los convierte en buenos candidatos para aplicaciones como la bioimpresión 3D de tejidos de ingeniería. Una vez inyectados o implantados en el cuerpo, podrían liberar fármacos o ayudar a regenerar el tejido dañado.
«Estos materiales son muy flexibles y personalizables, por lo que hay mucho interés en usarlos para aplicaciones biomédicas», dice Verheyen.
Mientras trabajaba en el laboratorio de Lewis, Verheyen, coasesorado por Lewis y Roche, comenzó a tratar de descubrir cómo hacer que estos materiales fueran inyectables de manera confiable. Esto resultó ser una tarea difícil que requirió una extensa experimentación de prueba y error, modificando diferentes características de los geles con la esperanza de optimizar su estructura y comportamiento mecánico para la inyectabilidad.
“Estimuló el esfuerzo de tomar los datos empíricos, convertirlos en algo que una máquina pudiera leer y usar, y luego crear un mapa predictivo que pudiéramos interrogar para ayudarnos a comprender qué estaba pasando y cómo llegar allí. siguiente paso”, dice.
Para crear su marco de diseño, los investigadores dividieron el proceso de ensamblaje en varios pasos. Modelaron cada uno de estos pasos por separado, utilizando datos de sus propios experimentos, que se realizaron en una variedad de condiciones diferentes.
En el primer paso, el modelo analizó cómo las propiedades de los biobloques se ven afectadas por el material de partida de los bloques y cómo se ensamblan. En el segundo paso, los biobloques se agrupan para formar estructuras llamadas «hidrogeles granulares». A través de su modelado, los investigadores identificaron varios factores que influyen en la inyectabilidad del gel final, incluidos el tamaño y la rigidez de los biobloques, la viscosidad del líquido intersticial entre los bloques y las dimensiones de la aguja y la jeringa utilizadas para inyectar el gel. . .
Mejor inyectabilidad
Ahora que han modelado el proceso de principio a fin, los investigadores pueden usar su modelo para predecir la mejor manera de crear un material con las características que necesitan para una aplicación en particular, en lugar de pasar por un extenso proceso de diseño. cada material nuevo.
«Nuestro objetivo a largo plazo era llegar al punto en el que tuviéramos propiedades de inyección fiables y predecibles, porque eso era algo con lo que realmente luchamos en el laboratorio: lograr que estos materiales fluyan correctamente», dice Verheyen.
Él y otros en el laboratorio de Roche ahora planean usar este enfoque de modelado para tratar de desarrollar materiales que podrían usarse para aplicaciones médicas, como reparar defectos cardíacos o administrar medicamentos al tracto gastrointestinal.
Los investigadores también hicieron que sus modelos y los datos que usaron para generarlos estuvieran disponibles en línea para que los usaran otros laboratorios.
«Todo es de código abierto y, con suerte, eso reducirá la frustración que podría encontrar al replicar algo que sucedió en otro laboratorio, o incluso dentro de un laboratorio al transferir conocimiento de alguien a otro», dice Roche.
La investigación fue financiada por el Programa de Becas de la Facultad Vannevar Bush, la Fundación Nacional de Ciencias y una subvención del Fondo Semilla de MathWorks.
