Material biomimético

Los materiales biomiméticos son materiales desarrollados inspirándose en la naturaleza . Esto puede ser 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 resistencia de la seda de araña, la mecánica del vuelo de las aves y la repelencia al agua de la piel del tiburón . ^{[ 2 ]}

Las raíces etimológicas del neologismo "biomimético" derivan del griego, ya que bios significa "vida" y mimetikos significa "imitativo".

Los materiales biomiméticos en ingeniería de tejidos son materiales diseñados para provocar respuestas celulares específicas mediadas por interacciones con péptidos anclados a un andamio, provenientes de proteínas de la matriz extracelular (MEC) ; esencialmente, la incorporación de péptidos de unión celular en biomateriales mediante modificación química o física. ^{[ 3 ]} Los aminoácidos presentes en los péptidos se utilizan como bloques de construcción por otras estructuras biológicas. Estos péptidos suelen denominarse " péptidos autoensamblables ", ya que pueden modificarse para contener motivos biológicamente activos . Esto les permite replicar información derivada del tejido y reproducirla de forma independiente. Por lo tanto, estos péptidos actúan como bloques de construcción capaces de llevar a cabo múltiples actividades bioquímicas, incluida la ingeniería de tejidos. ^{[ 4 ]} La investigación en ingeniería de tejidos que se está realizando actualmente con péptidos de cadena corta y larga aún se encuentra en etapas iniciales.

Estos péptidos incluyen tanto cadenas largas nativas de proteínas de la matriz extracelular (MEC) como secuencias cortas de péptidos derivadas de proteínas intactas de la MEC. La idea es que el material biomimético imite algunas de las funciones que desempeña la MEC 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 ]}

Inicialmente, se utilizaban largas cadenas de proteínas de la matriz extracelular (MEC), como la fibronectina (FN), la vitronectina (VN) y la laminina (LN), pero más recientemente se han descubierto las ventajas de usar péptidos cortos. Los péptidos cortos son más ventajosos porque, a diferencia de las cadenas largas que se pliegan aleatoriamente al adsorberse, lo que provoca que los dominios proteicos activos no estén disponibles estéricamente , los péptidos cortos permanecen estables y no ocultan los dominios de unión al receptor al adsorberse. Otra ventaja de los péptidos cortos es que pueden replicarse de forma más económica debido a su menor tamaño. Se utiliza un reticulador bifuncional con un brazo espaciador largo para anclar los péptidos a la superficie del sustrato . Si no se dispone de un grupo funcional para la unión del reticulador, se puede utilizar la inmovilización fotoquímica . ^{[ 3 ]}

Además de modificar la superficie, los biomateriales pueden modificarse en su totalidad, lo que significa que los péptidos de señalización celular y los sitios de reconocimiento están presentes no solo en la superficie, sino también en todo el material. La fuerza de adhesión celular, la tasa de migración celular y el grado de formación de la organización del citoesqueleto 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 los 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 pequeños núcleos para permitir el crecimiento de los cristales y la formación del tejido mineral. ^{[ 5 ]} Las mutaciones en las proteínas de la MEC del esmalte dan lugar a defectos del esmalte como la amelogénesis imperfecta . Se cree que el colágeno tipo I tiene una función similar en la formación de la dentina y el hueso. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

El mineral del esmalte dental (así como la dentina y el hueso) está compuesto de hidroxiapatita con iones extraños incorporados en su 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 un andamio 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. Una consiste en utilizar fragmentos conocidos por favorecer la mineralización natural de proteínas, como la amelogenina, el colágeno o la fosfoforina de la dentina. ^{[ 10 ]} Alternativamente, se han diseñado estructuras macromoleculares de novo para favorecer la mineralización, no a partir de moléculas naturales, sino mediante diseño racional. Un ejemplo es el oligopéptido P11-4 . ^{[ 11 ]}

En ortopedia dental e implantes, una estrategia más tradicional para mejorar la densidad del hueso mandibular 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 de calcio . ^{[ 12 ]} Los vidrios bioactivos más recientes siguen esta línea de estrategia, donde la silicona añadida proporciona una ventaja importante para la absorción local de calcio. ^{[ 13 ]}

Numerosos estudios utilizan la laminina-1 en el diseño de materiales biomiméticos. La laminina es un componente de la matriz extracelular capaz de promover la adhesión y diferenciación neuronal, además de guiar el crecimiento axonal . Su principal sitio funcional de bioactividad es su dominio proteico central isoleucina - lisina - valina - alanina - valina (IKVAV), ubicado en la cadena α-1 de la laminina . ^{[ 14 ]}

Un estudio reciente de Wu, Zheng et al., sintetizó una nanofibra de péptido IKVAV autoensamblada y probó su efecto en la adhesión de células pc12 similares a neuronas . La adhesión celular temprana es muy importante para prevenir la degeneración celular; cuanto más tiempo permanecen las células en cultivo, mayor es la probabilidad de que degeneren. El objetivo era desarrollar un biomaterial con buena adhesión celular y bioactividad con IKVAV, 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 se encuentra en la superficie de las nanofibras, por lo que está expuesto y accesible para promover las interacciones de contacto celular. Las nanofibras de IKVAV promovieron una adhesión celular más fuerte que la atracción electrostática inducida por poli-L-lisina , y la adhesión celular aumentó con el incremento de la densidad de IKVAV hasta alcanzar el punto de saturación. IKVAV no exhibe efectos dependientes del tiempo, ya que se demostró que la adhesión era la misma a la hora y a las 3 horas. ^{[ 14 ]}

Se sabe que la laminina estimula el crecimiento de las neuritas y desempeña un papel en el desarrollo del sistema nervioso. Se sabe que los gradientes son fundamentales para guiar los conos de crecimiento hacia sus tejidos diana en el desarrollo del sistema nervioso . Se ha investigado mucho sobre gradientes solubles; sin embargo, se ha prestado poca atención a 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 (LN-1) acoplada. Se demostró que los gradientes de concentración de LN-1 promovían 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 de los gradientes, pero el crecimiento fue más rápido en gradientes menos pronunciados y fue más rápido hacia arriba de los gradientes que hacia abajo. ^{[ 15 ]}

Los polímeros electroactivos (PEA) también se conocen como músculos artificiales. Los PEA son materiales poliméricos capaces de producir grandes deformaciones al ser sometidos a un campo eléctrico. Esto les confiere un gran potencial en aplicaciones de biotecnología, robótica, sensores y actuadores. ^{[ 16 ]}

La producción de colores estructurales involucra 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 formas de vida raras y exóticas. Diferentes organismos desarrollaron diferentes mecanismos para producir colores estructurales: cutícula multicapa en algunos insectos ^{[ 20 ]} y plantas, ^{[ 21 ]} superficie similar a una rejilla en plantas, ^{[ 18 ]} células organizadas geométricamente en bacterias... todos ellos representan una fuente de inspiración para el desarrollo de materiales con colores estructurales. 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. Directamente inspirada en la capa reflectora de las luciérnagas, 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 utilizarse para mejorar la emisión de luz en sistemas quimioluminiscentes . ^{[ 22 ]}

Las enzimas artificiales son materiales sintéticos que pueden imitar (parcialmente) la función de una enzima natural sin ser necesariamente una proteína. Entre ellas, algunos nanomateriales se han utilizado para imitar enzimas naturales. Estos nanomateriales se denominan nanoenzimas. Las nanoenzimas, al igual que otras enzimas artificiales, han encontrado amplias aplicaciones, desde la biodetección y los 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 presentes en animales y plantas, y estas estructuras biológicas se aplican a la fabricación de estructuras compuestas. Los investigadores utilizan técnicas de fabricación avanzadas, como la impresión 3D, para su elaboración. ^{[ 24 ]}