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El material bioinspirado puede "cambiar de forma" a las fuerzas externas

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Inspirados por la forma en que los huesos humanos y los coloridos arrecifes de coral ajustan los depósitos minerales en respuesta a sus ambientes circundantes, los investigadores de Johns Hopkins han creado un material autoadaptable que puede cambiar su rigidez en respuesta a la fuerza aplicada.

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Según los investigadores, el desarrollo podría dar lugar a materiales que pueden auto-reforzarse para prepararse para el aumento de la fuerza o para detener más daños en aplicaciones dentales y otras aplicaciones más allá del cuidado de la salud.

"Imagina un implante de hueso o un puente que se puede auto-reforzar donde se aplica una gran fuerza sin inspección ni mantenimiento. Permitirá implantes y puentes más seguros con un mínimo de complicaciones, costos y tiempo de inactividad", dijo el Dr. Sung Hoon Kang, profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto de Materiales Extremos de Hopkins y del Instituto de NanoBiotecnología de la Universidad Johns Hopkins y autor principal del estudio.

Otros investigadores han tratado de crear materiales sintéticos similares, aunque ha sido un reto porque son difíciles y costosos de crear. O bien, requieren un mantenimiento activo cuando se crean y están limitados en cuanto a la cantidad de estrés que pueden soportar. Los materiales con propiedades adaptables como la madera y el hueso pueden proporcionar estructuras más seguras, ahorrar dinero y recursos, y reducir el impacto ambiental nocivo, dijeron los investigadores

Los materiales naturales pueden autorregularse utilizando los recursos del entorno. Por ejemplo, los investigadores dijeron que los huesos utilizan señales celulares para controlar la adición o eliminación de minerales extraídos de la sangre que los rodea. Teniendo en cuenta estos materiales naturales, los investigadores buscaron crear un sistema de materiales que pudiera añadir minerales en respuesta al estrés aplicado

Los investigadores comenzaron utilizando materiales que pueden convertir las fuerzas mecánicas en cargas eléctricas como andamios, o estructuras de apoyo, que pueden crear cargas proporcionales a la fuerza externa colocada en él. Su esperanza era que estas cargas pudieran servir como señales para que los materiales comenzaran la mineralización a partir de iones minerales en el medio ambiente.

A continuación, los investigadores sumergieron películas de polímero de estos minerales en un fluido corporal simulado que imitaba las concentraciones iónicas del plasma sanguíneo humano. Después de que los materiales incubados en el fluido corporal simulado, los minerales comenzaron a formarse en las superficies. Los investigadores también descubrieron que podían controlar los tipos de minerales formados controlando la composición iónica del fluido.

Luego, los investigadores establecieron un frijol anclado en un extremo para aumentar gradualmente el estrés de un extremo de los materiales al otro y encontraron que las regiones con más estrés tenían más acumulación de minerales. La altura del mineral era proporcional a la raíz cuadrada de la tensión aplicada.

Sus métodos, dijeron los investigadores, son simples y de bajo costo, y no requieren energía extra.

"Nuestros hallazgos pueden allanar el camino para una nueva clase de materiales autorregenerantes que puedan auto-reforzar las áreas dañadas", dijo Kang, quien espera que estos materiales puedan algún día ser usados como andamios para acelerar el tratamiento de enfermedades o fracturas relacionadas con los huesos, resinas inteligentes para tratamientos dentales, o aplicaciones similares

Además, los investigadores dijeron que estos hallazgos contribuyen a la comprensión por parte de los científicos de los materiales dinámicos y de cómo funciona la mineralización, lo que podría arrojar luz sobre los entornos ideales necesarios para la regeneración ósea