Universidad de Leeds
Otras Ciencias

Inspirados en la naturaleza, los científicos han desarrollado un nuevo material que imita el cartílago humano.

Inspirados en la naturaleza, los científicos han desarrollado un nuevo material que imita el cartílago humano: el sistema de lubricación y amortiguación del cuerpo, y podría presagiar el desarrollo de una nueva generación de cojinetes ligeros.

El cartílago es un tejido fibroso blando que se encuentra alrededor de las articulaciones y que brinda protección contra la carga compresiva generada al caminar, correr o levantar objetos. 

También proporciona una capa protectora y lubricante que permite que los huesos pasen unos sobre otros sin fricción. Durante años, los científicos han intentado crear un material sintético con las propiedades del cartílago.

El cartílago es un material poroso bifásico, lo que significa que existe en fases sólidas y fluidas. Cambia a su fase líquida absorbiendo una sustancia viscosa producida en las articulaciones llamada líquido sinovial. 

Este fluido no solo lubrica las articulaciones, sino que cuando se mantiene en la matriz porosa del cartílago, proporciona un cojín hidroelástico contra las fuerzas de compresión.

Debido a que el cartílago es poroso, el líquido sinovial eventualmente se drena y, mientras lo hace, ayuda a disipar las fuerzas de energía que viajan a través del  cuerpo, protegiendo las articulaciones del desgaste y las lesiones por impacto. En este punto el cartílago vuelve a su fase vendida, listo para que se repita el ciclo.

El Dr. Siavash Soltanahmadi, investigador en la Escuela de Ingeniería Mecánica de Leeds, quien dirigió la investigación, dijo: «Los científicos e ingenieros han estado tratando durante años de desarrollar un material que tenga las asombrosas propiedades del cartílago.

Ahora hemos desarrollado un material para aplicaciones de ingeniería que imitan algunas de las propiedades más importantes que se encuentran en el cartílago, y solo ha sido posible porque hemos encontrado una manera de imitar la forma en que lo hace la naturaleza.

«Hay muchas aplicaciones en ingeniería para un material sintético que es blando pero que puede soportar cargas pesadas con un desgaste mínimo, como en los rodamientos. Existe potencial en la ingeniería para un material que se comporte como cartílago».

Los primeros intentos de desarrollar un sistema de cartílago sintético se han centrado en el uso de hidrogeles, materiales que absorben agua. Los hidrogeles son buenos para reducir la fricción, pero funcionan mal cuando están bajo fuerza de compresión.

Uno de los problemas es que se necesita tiempo para que el hidrogel vuelva a su forma normal después de haber sido comprimido.

Los investigadores han superado este problema creando un material poroso sintético hecho de un hidrogel contenido en una matriz de polidimetilsiloxano o PDMS, un polímero a base de silicona. La matriz mantiene la forma del hidrogel.

En el artículo, los científicos informan que el comportamiento de carga del hidrogel contenido en la matriz de PDMS fue de 14 a 19 veces mayor que el del hidrogel por sí solo. El módulo de elasticidad de equilibrio del material compuesto fue de 452 kPa en un rango de deformación del 10% al 30%, cercano a los valores reportados para el módulo de cartílago probado.

Los científicos creen que las aplicaciones futuras de un nuevo material basado en la función del cartílago desafiarían a muchos sistemas de ingeniería tradicionales lubricados con aceite.

El Dr. Michael Bryant, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Mecánica, quien supervisó la investigación, dijo; «La capacidad de utilizar agua como lubricante eficaz tiene muchas aplicaciones, desde la generación de energía hasta los dispositivos médicos.

Sin embargo, esto a menudo requiere un enfoque diferente en comparación con los sistemas de ingeniería tradicionales que a menudo utilizan lubricantes a base de aceite y revestimientos para superficies duras.

«Este proyecto nos ha ayudado a comprender mejor estos requisitos y desarrollar nuevas herramientas para abordar esta necesidad».

Fuente: Universidad de Leeds.

Mayor información: Siavash Soltanahmadi, Nicholas Raske, Gregory N. de Boer, et al. «Fabrication of Cartilage-Inspired Hydrogel/Entangled Polymer–Elastomer Structures Possessing Poro-Elastic Properties». ACS Applied Polymer Materials. Published: April 9, 2021.

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