Archivo de marzo, 2012

Los nanotubos de carbono y la ingeniería de tejidos (I)

Por Rafael Daza (Universidad Politécnica de Madrid)

La Ingeniería de tejidos es una disciplina que persigue remplazar tejido dañado o enfermo por un sustituto biológico capaz de restaurar y mantener la funcionalidad del tejido original. Los avances realizados en áreas tan dispares como las relativas al trasplante de células y órganos y la ciencia de materiales o la ingeniería, han contribuido al continuo desarrollo de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa.
Al igual que la regeneración tisular, la cual supone el empleo de células para formar estructuras de mayores dimensiones, la nanotecnología es una disciplina “bottom-up” (de abajo a arriba) cuyo fundamento es el ensamble de elementos simples para constituir estructuras complejas. Recordemos que en un post anterior definíamos la nanotecnología como el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales mediante el control de la materia a escala nanométrica (aquella en la que la unidad de longitud de referencia es el nanómetro, 1 nm equivale a 10-9 m, esto es, la millonésima parte del milímetro), y la explotación de fenómenos y propiedades de la propia materia a dicha escala. Entonces vimos que los principales “ladrillos de la vida” existen en esta escala nanométrica de la que hablamos.

La presencia de nano-dimensionalidad en la naturaleza ha llevado a los investigadores a plantearse la viabilidad de emplear nanomateriales también en la ingeniería de tejidos. De hecho, en los últimos años son numerosos los estudios que muestran la poderosa influencia de una topografía nanoestructurada en el comportamiento celular, observándose su repercusión sobre procesos celulares tan vitales como la adhesión, proliferación y/o reorganización del citoesqueleto e incluso en la regulación de la expresión de sus genes.
De entre todos los nanomateriales que actualmente están en proceso de investigación, aquí nos centraremos en los nanotubos de carbono debido al enorme abanico de aplicaciones que se les atribuye en el ámbito de la medicina regenerativa. Los nanotubos son una de las formas alotrópicas del carbono cuya geometría cilíndrica es el resultado del enrollamiento sobre sí mismas de una o varias láminas de grafeno. Cuando se trata de una sola lámina (Figura 1A), los nanotubos reciben el nombre de singlewalled carbon nanotubes (SWNT) mientras que el enrollamiento concéntrico de varias láminas (Figura 1B), da lugar a la formación de los multiwalled carbon nanotubes (MWNT).

 

Figura 1. Diagrama de un SWNT (A) y de un MWNT (B) con sus dimensiones características.

Desde su origen [1], los nanotubos de carbono han despertado el interés de la comunidad científica como consecuencia de las extraordinarias propiedades que exhiben. Poseen un amplio rango de características electrónicas, térmicas y estructurales en función de su diámetro, longitud y quiralidad (ángulo de enrollamiento respecto de la dirección axial del cilindro resultante). Mención especial merecen sus propiedades mecánicas (Figura 2): los nanotubos de carbono presentan el módulo de rigidez y la tensión de rotura mayor de cuantos materiales conoce el hombre (1.5 TPa y 150 GPa, respectivamente).

Figura 2. Debido a sus solicitaciones mecánicas, la idea utópica de construir un ascensor espacial que comunicara la Tierra con su satélite sólo sería estructuralmente viable si se construyera mediante nanotubos de carbono.

A pesar de su reciente inclusión en el mundo de la ingeniería de tejidos (2004), son cuatro las áreas en las que se espera que los nanotubos tengan gran presencia: marcado y seguimiento de células, sensores del comportamiento celular, promotores del comportamiento celular y constituyentes de soportes estructurales o scaffolds. Mientras que las dos primeras áreas están encaminadas a analizar cómo responden las células al tejido diseñado, las dos últimas tienen por objetivo actuar sobre las propias células y el medio que las sustenta con el fin de mejorar los tejidos diseñados y favorecer la proliferación y diferenciación de las células en ellos. Dedicaremos las últimas líneas de este post a las dos primeras áreas remitiendo al lector a un siguiente post en el que abordaremos las dos últimas.

1. Marcado y seguimiento de células implantadas.
La capacidad para rastrear las células implantadas y observar su progresión en la formación de tejido in vivo de manera no invasiva es de importancia capital, especialmente, cuando las construcciones artificiales son de tamaños biológicamente significativos. Marcando las células implantadas se podría, no solamente evaluar la viabilidad del tejido diseñado sino, además, mejorar el conocimiento acerca de la biodistribución y rutas de migración de las células trasplantadas. Sin embargo, para tales fines, es preciso que el agente de contraste in vivo tenga buena biocompatibilidad, alta capacidad de producir contraste y estabilidad.

Los nanotubos de carbono han demostrado poseer varias de estas propiedades. Pondremos un ejemplo. El grupo del profesor Strano de la Universidad de Illinois encapsuló ácidos nucléicos en varios SWNTs y los introdujo en el interior de un tipo de célula madre, los mioblastos. Mediante espectroscopía Raman observaron la supervivencia de la estructura en el interior de las células durante repetidas divisiones celulares lo que sugiere que tales sondas podrían ser empleadas para estudiar la proliferación y diferenciación de células madre [2], paso clave en la regeneración de tejidos. Además, dado que la espectroscopía Raman es muy sensible a la presencia de grupos funcionales en las moléculas, esta técnica puede proporcionar información valiosa acerca del microambiente de la célula. Este es uno de los más prometedores métodos para usar los nanotubos de carbono como biosensores ópticos in vivo y puede servir como una técnica básica para el desarrollo de otros sensores más complejos. Esta sofisticación añadida puede ser implementada modificando los nanotubos con sondas adicionales o agentes marcadores.

2. Sensores del comportamiento celular.
En este caso se persigue obtener información acerca de las características físico-químicas y biológicas que rodean a las células en su entorno tisular. La capacidad para monitorizar procesos fisiológicos celulares como el transporte iónico, las interacciones enzima-cofactor o la secreción de proteínas y metabolitos o mecanismos de respuesta celular como la adhesión a la matriz extracelular podrían ofrecer información valiosísima que permitiría diseñar mejores tejidos artificiales.

Un posible método para llevar a cabo estas monitorizaciones consiste en implantar sensores capaces de transmitir información desde el interior del organismo al exterior; tales sensores proporcionarían datos en tiempo real de parámetros fisiológicos tan importantes como el pH, la presión de oxígeno o los niveles de glucosa. Emplear nanosensores para este fin tiene principalmente dos ventajas: el tamaño reducido del sensor disminuye su impacto sobre el tejido diseñado en el que va a ser introducido y su elevada proporción área/volumen le dota de una gran área efectiva en la que inmovilizar numerosos compuestos químicos y biológicos incluyendo ADN y proteínas que mejoran su sensibilidad.

Mientras que la transmisión de información extracorpóreamente desde los nanosensores está aún en fase de desarrollo, los sensores basados en nanotubos de carbono ya han demostrado su capacidad para medir varios factores biológicos muy relevantes. Pongamos algún ejemplo. MWNTs han sido empleados como electrodos para medir los procesos de electrooxidación de la insulina y para estimar su concentración vía determinación amperométrica. Este hecho sugiere un método para evaluar la calidad de los islotes pancreáticos (región del páncreas encargada de la producción de hormonas como la insulina y el glucagón, Figura 3) previa a su implante en el organismo receptor. Además, se ha demostrado que podríamos medir la cantidad de colesterol libre en sangre usando un MWNT montado sobre un sustrato biocompatible [3] o monitorizar el pH mediante sensores compuestos de nanotubos de carbono y un polímero como la polianilina [4].

Figura 3. Imagen de microscopía confocal de una sección de páncreas de ratón. En rojo se muestran las células productoras de insulina, en verde los vasos sanguíneos que rodean a los islotes pancreáticos y en azul se marcan todos los núcleos celulares.

Acabamos de presentar dos de las prometedoras aplicaciones que los nanotubos de carbono pueden tener en la ingeniería de tejidos. Sin embargo, como veremos en un próximo post dedicado fundamentalmente a la utilización de nanotubos para la creación de scaffolds, la implantación de estos nanotubos o materiales basados en ellos en el interior de un organismo vivo no está exenta de problemas que aún no están resueltos y cuya solución transcurre inevitablemente por la senda de un trabajo multidisciplinar de físicos, químicos, biólogos e ingenieros de materiales.

Referencias
[1] S. Iijima, “Helical microtubules of graphitic carbon”. Nature 354, 56 (1991)
[2] D.A. Heller, S. Baik, T.E. Eurell and M.S. Strano. “Single-walled carbon nanotube spectroscopy in live cells: towards long-term labels and optical sensors”. Advanced Materials 2793, 17 (2005)
[3] X. Tan, M. Lin, P. Cai, L. Luo and X. Zou. “An amperometric colesterol biosensor base don multiwalled carbon nanotubes and organically modified sol-gel/chitosan hybrid composite films”. Analytical Biochemistry, 117, 337 (2005)
[4] M. Kraempgen and S. Roth. “Transparent and flexible carbon nanotube/polyaniline pH sensors”. Journal of Electroanalytical Chemistry, 72, 586 (2006)

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Materiales en la Fórmula 1: La evolución en la seguridad de los cascos de los pilotos

Por María Jesús Pérez (Universidad Politécnica de Madrid)

La evolución de las medidas de seguridad en competiciones automovilísticas como la F1 han provocado que hoy los cascos de los pilotos deban reunir tres cualidades difíciles de combinar: ligereza, resistencia y aerodinámica.; aunque no siempre fue así…
En los primeros días de carreras de Fórmula Uno, lo importante era la velocidad y no la seguridad, de hecho, en 1950 muchos pilotos ni siquiera usaban casco y algunos usaban gorros de cuero que sencillamente protegían del viento.

Juan Manuel Fangio con un pasamontañas

En 1960 se desarrolló el casco de cartón prensado. Eran muy incómodos para los pilotos, por lo que muchos ni lo usaban ya que no era obligatorio según la FIA.
El primer casco integral de fibra de vidrio no apareció hasta 1968. Pesaba casi tres kilos pero era mucho más efectivo que sus predecesores.
Poco a poco, se fue reduciendo el peso y el tamaño, ajustándose más a la cabeza del piloto. Lamentablemente, tuvo que ocurrir una tragedia para que la evolución en componentes de seguridad en este tipo de deportes apareciese. En el Gran Premio de Sudáfrica de 1977, el monoplaza de Tom Price golpeó a un bombero que cruzaba la pista en ese momento. El extintor del comisario de pista golpeó la cabeza de Pryce y causó la muerte instantánea del piloto.
A partir de este momento, los ingenieros se preocuparon más aún de mejorar el equilibrio seguridad-peso. De esta manera, en 1980 nació el Tricomp (aleación de fibra de carbono, fibra de vidrio y diversos polímeros) que cubría el exterior del casco proporcionándole mayor resistencia.
A mitad de los ’80, comenzaron las investigaciones aerodinámicas de los cascos en el túnel de viento (hoy en día, el casco presenta una parte importante del coche en cuanto a aerodinámica se refiere).
Con el avance de los años, los monoplazas mejoraban en rendimiento a la vez que sucesivos accidentes, algunos de ellos mortales (Peterson, Villeneuve, Senna…), hacían una llamada a una mejora sustancial en la seguridad del piloto.
A partir del año 2000, la seguridad en los cascos se complementó con la llegada del moderno sistema HANS (Head And Neck Support). El HANS tiene por objeto evitar las lesiones cervicales provocadas por “efecto látigo” cuando se produce una colisión a altas velocidades. Su inventor fue Robert Hubbard, un profesor de biomédica de la Universidad de Michigan. El HANS está fabricado con Kevlar y se engancha al respaldo del asiento del piloto y a su casco con resistentes ganchos. En la fórmula 1 su uso se hizo obligatorio a partir de 2003.

Head And Neck Support Device

Actualmente, el casco de F1 se fabrica a medida del piloto. Es una pieza de 1200 gramos formada por 18 capas de fibra de carbono que puede soportar el peso de un tanque de 55 toneladas sin deformarse. La estructura exterior puede resistir una temperatura de 800ºC durante 30 segundos sin que en el interior se superen los 70ºC. La estructura interior se elabora de forma artesanal a imagen y semejanza de los moldes en tres dimensiones de los pilotos.
Además, desde esta temporada, la estructura de los cascos lleva una tira de Zylon (polímero sintético) en la visera que mejora las debilidades detectadas en la fibra de carbono tras el accidente sufrido por Massa en el GP de Hungría en 2009 (un muelle desprendido del coche de Barrichello golpeó el casco de Massa a 270 km/h). El carbono es una de las fibras más sólidas, pero tiene el gran inconveniente de que a la vez que detiene un fuerte impacto, conduce muy fuertemente la energía hacia el interior. Sin embargo, el Zylon es una fibra blanda que tiene la capacidad de absorber la energía liberada en un impacto, deformándose ligeramente pero sin fracturarse.
La tira de Zylon, superpuesta en la visera de policarbonato, permite una protección extra pero sin limitar la visión del piloto. Este material también es utilizado en la fabricación de chalecos antibala, y en la F1 las cabinas de todos los coches van revestidos con él.

 

Casco reforzado con Zylon en la visera

La introducción del Zylon en los cascos de los pilotos es sólo la primera fase de mejoras previstas para la seguridad. El instituto de la FIA y los fabricantes de cascos están investigando el uso de materiales de alto rendimiento óptico (cerámica transparente) como el material principal para fabricar la visera.

Más información:
http://www.formula1.com/news/features/2011/3/11880.html
http://eduardojosecar.blogspot.com/2011/10/nuevas-viseras-en-los-cascos.html

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Integridad estructural de las vainas de combustible nuclear

En la Universidad Politécnica de Madrid, en colaboración con ENUSA Industrias Avanzadas S.A., ENRESA y el Consejo de Seguridad Nuclear, estudiamos la integridad estructural de las vainas de combustible nuclear en condiciones de transporte y almacenamiento temporal en seco.

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Entrevista al Profesor D. Jesús Ruiz Hervías

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Predicción de lesiones cerebrales mediante simulación numérica

Por Sidney Chocron (Senior Research Engineer, Southwest Research Institute, San Antonio, TX, EE.UU)

¿Serán los ordenadores capaces de predecir en el futuro las lesiones que provoca un impacto en la cabeza o cualquier otra zona del cuerpo? Hace dos semanas asistí a una charla en la Universidad de Texas en San Antonio en la que el Dr. Paul Taylor, investigador de Sandia National Laboratories, presentaba un estudio fascinante sobre un tema candente en Estados Unidos: lesiones cerebrales debidas a trauma (TBI por sus siglas en inglés, “Traumatic Brain Injury”), ya sea por un choque con un objeto u otra persona o por hallarse cerca del lugar donde explota una bomba.

Las recientes guerras de Irak y Afganistán han expuesto a muchos soldados americanos a explosiones cercanas de las que aparentemente salían ilesos y por su propio pie. Pero meses después estos mismos soldados han empezado a manifestar problemas graves que se describen de forma genérica como “desórdenes post traumáticos” (“post-traumatic stress disorder”). La razón última de esta enfermedad es todavía un misterio, aunque las resonancias magnéticas funcionales de los pacientes sí parecen desvelar lesiones en ciertas zonas del cerebro.

El objetivo de la investigación del Dr. Taylor es intentar predecir este tipo de lesiones mediante simulaciones numéricas por ordenador. El código empleado en este trabajo se llama CTH y el Dr. Taylor es una de las personas que ha contribuido a desarrollarlo en Sandia. Se trata de un código específico para problemas de impacto en los que las deformaciones alcanzadas son altísimas, del orden de 100% o más. Es por lo tanto un código muy adecuado para las altas deformaciones que se alcanzan en algunos tejidos biológicos.

Figura 1. Imagen tomada de la presentación del Dr. Paul Taylor: http://idl.utsa.edu/invited-lectures/

Desde mi punto de vista el mayor desafío de la investigación presentada fue obtener un modelo muy detallado del cerebro humano. Para ello el Dr. Taylor recurrió al Visible Human Project, un proyecto en el que un reo que fue ejecutado en Texas donó su cuerpo para la ciencia. Nada más ser ejecutado el cuerpo fue congelado y diseccionado en lonchas de un milímetro de espesor desde los pies hasta la cabeza. El Dr. Taylor incorporó toda la información anatómica de la parte de la cabeza y el cuello en el código CTH, con gran detalle (y paciencia). Las propiedades de los distintos materiales que forman el cerebro, los huesos, etc… fueron obtenidas de la literatura y validados de forma global (en su aspecto dinámico) comparando los resultados del modelo con resonancias magnéticas realizadas a estudiantes de doctorado que hacían movimientos bruscos de la cabeza.

Posteriormente el Dr. Taylor realizó simulaciones en las que hizo pasar una onda de choque a través del modelo para ver cómo reaccionaban los distintos tejidos. El paso más complicado, y que quedará para el futuro, es relacionar alguna variable física (presión máxima, deformación equivalente, energía, etc…) del material cerebral con la presencia o posibilidad de una lesión. En cualquier caso los primeros resultados parecen alentadores en el sentido de que zonas que en las simulaciones aparecen como zonas en las que la deposición de energía ha sido alta parecen estar correlacionadas con zonas que aparecen dañadas en las resonancias magnéticas funcionales realizadas en los pacientes

Podéis ver la charla completa y las transparencias en la página web del Laboratorio de Dinámica del Impacto de la Universidad de Texas en San Antonio.

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