O investigador do CSIC Carlos Sánchez Somolinos, do Instituto de Nanociencia e Materiais de Aragón (INMA), instituto mixto do Consello Superior de Investigacións Científicas (CSIC) e a Universidade de Zaragoza, lidera unha nova liña de investigación, pioneira a nivel internacional, que combina electro-escritura por fusión de materiais intelixentes para aplicacións biomédicas e robótica branda.
Os investigadores usaron por primeira vez materiais activos sensibles a estímulos, o que conduce a estruturas biomiméticas activas con funcións mecánicas que poden programarse dixitalmente. O estudo publicouse en Advanced Materials e supón un achado pioneiro que podería ser a base para realizar cultivos celulares que emulen de maneira máis precisa aos tecidos vivos.
“Fabricadas con materiais adecuados, estas estruturas poderían servir como andamiajes biomiméticos mecanicamente activos, fronte aos pasivos utilizados na actualidade, proporcionando, baixo unha estimulación adecuada, un andamiaje no que as células nel cultivadas sintan as forzas cíclicas que experimentan nos tecidos vivos, por exemplo, o corazón”, explica Sánchez Somolinos. Asinan o estudo xunto ao investigador do INMA Mehrzad Javadzadeh, estudante de doutoramento da Universidade de Zaragoza no INMA, e Jesús do Barrio, profesor da Universidade de Zaragoza e investigador no INMA.
Unha técnica pioneira
Esta nova plataforma de microfabricación aplícase por primeira vez no mundo a elastómeros cristal líquido, materiais intelixentes que responden mecanicamente a un estímulo externo -neste caso, a temperatura-. A metodoloxía presentada permitiu depositar dixitalmente fibras ultrafinas de elastómeros de cristal líquido con diámetros de apenas unhas micras, fronte ás de centenares de micras tipicamente obtidas mediante impresión 3D convencional.
Como resultado, obtivéronse microestructuras destes materiais con dimensións moi pequenas que até agora eran inaccesibles con outras técnicas de estructuración. A nova técnica proposta supera, desta maneira, as metodoloxías actuais de microfabricación destes materiais no que respecta ao seu tamaño e control da orientación molecular, permitindo obter microestructuras intelixentes sen precedentes con deformación mecánica baixo demanda. “Este traballo bríndanos a oportunidade de explorar o pequeno”, resume Sánchez Somolinos.
Durante o proceso de electro-escritura, o material adquire unha orientación microscópica preferente que é clave para controlar con precisión a magnitude e a dirección das forzas que exerce logo o material cando é excitado con temperatura. As estruturas preparadas con esta nova plataforma de impresión teñen carácter intelixente, deformándose de maneira controlada fronte ao estímulo externo, e atesouran unha notable capacidade para realizar esforzos e traballo mecánico de utilidade potencial en ámbitos como a robótica branda e a biomedicina.
Actualmente, a técnica da electro-escritura é empregada por algúns grupos de investigación internacionais no ámbito da biomedicina en combinación con materiais biocompatibles pasivos, como a policaprolactona, para preparar andamiaxes estáticos para cultivo celular que imitan as características estruturais atopadas en tecidos vivos nativos, como o miocardio.
A microestructuración con electro-escritura de materiais activos sensibles a estímulos, demostrada no presente traballo, conduce a estruturas biomiméticas activas con funcións mecánicas programadas dixitalmente. “Trátase de procurar unhas estruturas que emulen a matriz extracelular da maneira máis representativa posible, é dicir, tridimensionales e dinámicas”, explica o investigador.
O CSIC, líder internacional en robótica branda
Esta investigación fortalece a xa destacada posición do CSIC no campo dos elastómeros de cristal líquido para robótica branda a nivel internacional. Xa en 2017, o Laboratorio de Manufacturación Avanzada do INMA, liderado por Sánchez Somolinos, demostrou por primeira vez a impresión 4D destes materiais, unha técnica que permite extrudir e depositar fibras da orde dos centenares de micras para fabricar estruturas intelixentes con materiais elastómero de cristal líquido. Este traballo foi a semente de dous proxectos europeos coordinados polo CSIC, Prime e Storm-Bots.
Neste sentido, Sánchez Somolinos é tamén coordinador de ambos. Por unha banda, Storm-Bots ten como obxectivo a formación de 13 mozos investigadores na área dos materiais para robótica branda. A incorporación de materiais intelixentes, que responden cun cambio importante dunha das súas propiedades físicas en resposta a un estímulo externo (como a calor, a luz ou un campo eléctrico ou magnético), constitúe en robótica unha oportunidade para desenvolver novos elementos e dispositivos robóticos brandos disruptivos e pode abrir novas posibilidades en termos de deseños, funcións e respostas, inaccesibles para os robots duros convencionais. Prevese que os desenvolvementos nesta área poidan revolucionar os campos da cirurxía minimamente invasiva, a manipulación de materiais, a pel electrónica e as interfaces acode-máquina.
Doutra banda, Prime persegue a implementación de dispositivos microfluídicos, chips con microcanales polos que poidan circular fluídos controlados por estes materiais intelixentes que son depositados por impresión 4D. PRIME busca demostrar a viabilidade desta tecnoloxía que podería permitir facer análises químicos de fluídos dunha forma rápida, barata e portátil. As súas potenciais aplicacións incluirían as análises clínicas, os de augas ou os diagnósticos veterinarios.
Referencia científica:
Mehrzad Javadzadeh, Jesús del Barrio, Carlos Sánchez-Somolino. Melt electrowriting of liquid crystal elastomer scaffolds with programmed mechanical response. Advanced Materials. 2022.
