Cómo las esferas se convierten en gusanos: Avance con espectroscopia de RMN
Se ha dilucidado una forma de formación de hidrogeles desconocida hasta ahora: los químicos descubrieron interacciones inusuales entre los polímeros
¿Hidrogeles? Muchas personas utilizan estas sustancias sin saberlo. Como superabsorbentes en pañales, por ejemplo, los hidrogeles absorben mucho líquido. En el proceso, el material inicialmente seco se vuelve gelatinoso, pero no moja. Algunas personas se colocan el material hinchable en el globo ocular: las lentes de contacto blandas también son simplemente hidrogeles. Lo mismo ocurre con la gelatina y otros materiales cotidianos.
Las interacciones específicas hacen que las nanopartículas esféricas de polímeros se reorganicen en estructuras similares a gusanos durante el enfriamiento. El hidrogel resultante se disuelve de nuevo al calentarlo.
Theresa Zorn, University of Würzburg
Los hidrogeles también desempeñan un papel en la ciencia. Desde un punto de vista químico, son largas moléculas poliméricas reticuladas tridimensionalmente que forman cavidades. En su interior, pueden absorber y retener moléculas de agua.
En el grupo de trabajo del ex catedrático de química de Würzburg Robert Luxenhofer se está probando la idoneidad de los hidrogeles para la biofabricación: Por ejemplo, los hidrogeles pueden utilizarse para la impresión 3D como estructuras de andamiaje, sobre las que se pueden adherir células. De este modo, por ejemplo, se pueden producir tejidos artificiales para la investigación médica y las terapias regenerativas.
La formación de hidrogeles, un rompecabezas
Durante esta investigación, el Dr. Lukas Hahn, del equipo de Luxenhofer, observó una forma inusual de formación de hidrogeles. La observó en polímeros destinados a la nanomedicina, concretamente a la administración de fármacos.
Estos polímeros se organizan en nanopartículas esféricas en agua a 40 grados. Cuando el agua se enfría por debajo de 32 grados, las esferas se agrupan en estructuras parecidas a gusanos y se forma un gel. Cuando se calienta, vuelve a disolverse.
"Este comportamiento es muy raro en los polímeros sintéticos y fue completamente inesperado", explica Robert Luxenhofer, que ahora enseña e investiga en la Universidad de Helsinki. Si se produce, la formación de gel suele deberse a enlaces de hidrógeno: fuerzas de atracción entre grupos funcionales polares en los que intervienen átomos de hidrógeno que tienen un efecto estabilizador. Este tipo de interacciones son fundamentales para la estructura y función de las proteínas, por ejemplo.
Sin embargo, en el caso de los polímeros, las cosas son muy distintas. Desde el punto de vista de su estructura química, no son capaces de formar enlaces de hidrógeno entre sí. Al parecer, los investigadores habían dado con un mecanismo desconocido de formación de geles.
Avance con espectroscopia de RMN
Para resolver el enigma, Robert Luxenhofer buscó la colaboración de la catedrática de química Ann-Christin Pöppler, de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), experta en la caracterización de nanopartículas hechas de polímeros. En colaboración con otros grupos de investigación, su equipo estudió más a fondo la peculiar forma de formación del gel, un complejo rompecabezas que tardó dos años en resolverse.
"Pudimos dilucidar el mecanismo desconocido porque utilizamos una gran variedad de herramientas analíticas. Al final, sin embargo, el gran avance llegó con varios métodos de espectroscopia de RMN", explica la química de la JMU. Su estudiante de doctorado Theresa Zorn descubrió lo que conduce a la formación del gel en este caso: interacciones específicas entre los grupos amida de los anillos hidrosolubles y fenilo de los bloques de polímeros no hidrosolubles. Estas interacciones hacen que las nanopartículas esféricas se condensen y reestructuren en estructuras similares a gusanos.
Los hallazgos han podido confirmarse mediante cálculos teóricos: El Dr. Josef Kehrein, antiguo estudiante de doctorado del profesor de la JMU Christoph Sotriffer, experto en modelización asistida por ordenador de interacciones tridimensionales entre moléculas, lo consiguió. También él trabaja ahora en Helsinki.
Los resultados se han publicado en ACS Nano, revista de la American Chemical Society (ACS). El trabajo ha sido financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG), la Academia de Finlandia y otras entidades.
Qué pasos sigue la investigación
¿Cuál es el siguiente paso? Los investigadores están convencidos de que el mecanismo recién descubierto de formación de hidrogeles también es relevante para otros polímeros y para sus interacciones con tejidos biológicos.
Por ello, el equipo quiere modificar químicamente los polímeros para ver cómo afecta esto a sus propiedades y a la hidrogelación. Tal vez sea posible influir específicamente en la temperatura de gelificación, así como en la resistencia y durabilidad del gel. De los materiales modificados, se podrían seleccionar los más adecuados para su uso en biofabricación.
Financiado por la Universitätsbund Würzburg, el equipo de Ann-Christin Pöppler también quiere investigar si las nanopartículas y, por tanto, también el hidrogel, pueden cargarse con "moléculas invitadas". Esto podría ser interesante para aplicaciones médicas: si el gel se disuelve a temperatura corporal, podría liberar las sustancias activas con las que se cargó previamente. Son concebibles aplicaciones en forma de implantes, emplastos o lentes de contacto.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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