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UNAM a la vanguardia en investigación de materiales complejos

El siglo XXI se ha caracterizado por un desarrollo dinámico de nuevas áreas, las cuales conjuntan conocimientos de varias ciencias y disciplinas: medicina-ingeniería, física-biología, economía-mercadotecnia, entre otras. Dicho desarrollo es el resultado directo de la combinación de las necesidades del mundo contemporáneo y la capacidad admirable del ingenio humano; la ciencia de los materiales no se queda atrás, de hecho, va un paso adelante.

En el Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), el investigador Francisco Manuel Sánchez Arévalo y su grupo del Laboratorio de Mecánica y Micromecánica de Sólidos, llevan a cabo varias líneas de investigación enfocadas en el desarrollo, comportamiento y técnicas necesarias para desarrollar y caracterizar materiales complejos.

Es decir, no sólo se encargan de la producción de materiales complejos, sino que también desarrollan los equipos necesarios para su caracterización y así verificar que su comportamiento sea el deseado.

Un ejemplo de ello son los hidrogeles híbridos basados en quitosano (CS) y polialcohol vinílico (PVA), los cuales tienen aplicaciones en diversas áreas como medicina, agricultura, medio ambiente y la industria alimentaria.

Los hidrogeles son redes macromoleculares capaces de absorber grandes cantidades de agua y diferentes fluidos, generalmente, sin disolverse. Se obtienen mediante polimerización y entrecruzamiento/reticulación simultáneo de uno o varios polímeros.

Actualmente, se ha demostrado que los hidrogeles de CS/PVA son utilizados como agentes liberadores de fármacos, como membranas para el tratamiento de aguas residuales de origen industrial, o incluso, como andamios celulares para la regeneración de tejidos biológicos.

Sin embargo, la “preparación” de dichos hidrogeles de CS/PVA requiere de un “agente de entrecruzamiento”, es decir, un compuesto capaz de unir las moléculas que lo componen. Este paso es crucial para generar materiales mecánicamente estables y biocompatibles que no tengan efectos adversos como la citotoxicidad, y que presenten “adecuadas” propiedades mecánicas que son importantes en su desempeño y durabilidad.

Otro de los retos del estudio de hidrogeles es la caracterización mecánica, ya que en estado hidratado, es complicado colocar las muestras en los equipos comerciales de medición, pues dichas muestras pueden dañarse fácilmente.

En este sentido, Sánchez-Arévalo y sus colaboradores (doctora Itzel Marisol Garnica Palafox y la doctora Michelin Álvarez Camacho) han realizado una contribución importante al diseñar, construir y validar un probador mecánico con la capacidad de evaluar tanto el comportamiento macro y micromecánico de hidrogeles, e incluso, tejidos suaves a través de técnicas ópticas, equipo que en su conjunto no existía a nivel científico ni comercial.

Los hidrogeles como andamios celulares son materiales de soporte en donde pueden sembrarse células, y bajo condiciones específicas, pueden proliferar.

En el IIM, otros grupos de investigación han desarrollado y usado otra clase de andamios celulares con anterioridad: para curar y reparar tejido dañado por enfermedades del corazón, probado en animales de laboratorio e in vitro; y también para regenerar hueso en pacientes con labio leporino en el Hospital General Dr. Manuel Gea González de la Ciudad de México.

El doctor Sánchez Arévalo refirió que otras aplicaciones posibles del hidrogel híbrido basado en CS/PVA entrecruzado con genipin, es en la regeneración de la piel donde se puede colocar el andamio celular en el sitio de la lesión: daño térmico (quemaduras), mecánico (úlceras o cortaduras), o químico. Después estos andamios darán un soporte adecuado a las células de la piel, para ayudar a la regeneración de tejido nuevo.

Una de las principales características que debe cumplir este material es que debe mantener un nivel de humedad óptimo que permita el exudado de la herida, tener un grado de transparencia que permita ver la evolución de la herida, presentar un comportamiento mecánico similar al de la piel, además de ser biocompatible, es decir, que el material simule las propiedades físico-químicas de la piel, detalló el investigador universitario.

“Se requieren muchas pruebas durante la síntesis hasta determinar los parámetros necesarios  para obtener un buen andamio celular, y una vez obtenido, se realizan ensayos para revisar la biocompatibilidad con cultivos celulares. Además, se tiene que observar si hay un crecimiento eficiente de las células, en caso contrario, se debe revisar qué fue lo que ‘no le gustó a las células’, si fue la estructura química o la rigidez del material, por ejemplo”, destacó Sánchez Arévalo.

Todo ello es importante en el área biomédica, pero en el Laboratorio de Mecánica y Micromecánica de Sólidos también se desarrollan materiales basados en el mismo tipo de hidrogeles, con la capacidad de atrapar colorantes y metales pesados en aguas residuales, algo así como un tipo de “filtro”.

Para ello se utilizan los polímeros sintéticos, a diferencia de los andamios celulares donde se utilizan polímeros híbridos (naturales y sintéticos), los cuales integran las virtudes de cada uno de sus componentes y que deben mezclarse en la proporción adecuada.

De esta manera, durante los últimos ochos años el equipo del doctor Sánchez Arévalo se ha dedicado a la formación de hidrogeles híbridos, debido a la disponibilidad de ambos polímeros, su bajo costo, buena procesabilidad y a la excelente sinergia de propiedades que se obtiene al mezclarlos en diferentes proporciones.

Referencias:

  • Garnica-Palafox, I. M., Álvarez-Camacho, M., & Sánchez-Arévalo, F. M. (2019). Macro-and micromechanical responses of an elastomeric membrane undergoing biaxial tension by indentation. Journal of Materials Science, 54(22), 14255-14274.
  • Benítez Martínez, Jorge Alejandro, sustentante. Síntesis y caracterización de membranas poliméricas basadas en Poli (dimetilsiloxano)/Poli (alcohol vinílico) entrecruzadas con genipin y glutaraldehído/2019.
  • Itzel Marisol Garnica Palafox, sustentante. Síntesis y caracterización de hidrogeles híbridos nanocompuestos/2019.

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