‘Biomateriales’

Las células estrenan “modelito”

Por Blanca González Bermúdez (Universidad Politécnica de Madrid)

Cuando se habla de la célula, de su estructura, funciones, interacciones o posibles patologías, se mantiene muchas veces un enfoque bioquímico: el gen X codifica una proteína que regula el gen Y, el cual, a su vez, codifica la proteína Z, y así sucesivamente. Es natural que esto ocurra, ya que la biología celular se ha basado en principios bioquímicos -moleculares y genéticos-, para explicar el funcionamiento de las células. Pero, como siempre, la naturaleza hace las cosas un poco más complicadas.

El caso es que desde los años 70 sabemos que una buena parte de los procesos celulares están relacionados también con el comportamiento mecánico de las células. Por ejemplo, los glóbulos blancos se activan y se vuelven más deformables cuando detectan una infección. Ciertas enfermedades, como la malaria, provocan un aumento en la rigidez de los glóbulos rojos, y se ha observado que las células cancerosas se vuelven más flexibles, y por ello migran con mayor facilidad, que las células sanas. Aún más, las células son capaces de detectar la rigidez y las fuerzas mecánicas de su entorno. Una misma célula madre, por ejemplo, se puede diferenciar en una neurona o en un miocito cambiando simplemente la rigidez del sustrato.

En definitiva, se ha podido constatar que las propiedades mecánicas de las células pueden emplearse como biomarcadores del estado celular. Partiendo de esta idea, se han desarrollado en las últimas décadas varias técnicas experimentales para estudiar el comportamiento mecánico de la célula y las fuerzas que ejerce sobre su entorno: la microscopía de fuerza atómica, la aspiración con micropipeta, la citometría óptica y magnética, o la microscopía de fuerzas de tracción, entre otras.

En el laboratorio de Biomateriales (CTB-UPM), hemos puesto a punto la técnica de aspiración con micropipeta, que nos ha servido para comparar las propiedades mecánicas de células en distintas condiciones. Con este procedimiento podemos aspirar las células en suspensión mediante un microcapilar de vidrio, aplicando una diferencia de presión entre el interior del microcapilar y la muestra de células. Las imágenes del ensayo de aspiración se procesan automáticamente en un ordenador y obtenemos así la longitud aspirada de la célula en el interior del microcapilar en cada instante.

Pero nos quedaba una barrera pendiente: ¿qué modelo mecánico emplear en nuestros experimentos? En una célula hay diferentes orgánulos contenidos en el citoplasma, conectados entre sí por un entramado muy complejo, que apenas ahora estamos cartografiando con detalle. Esto ha supuesto que se hayan generado múltiples modelos mecánicos de la célula, si bien el desarrollo de un modelo que describa de manera integral el complejo comportamiento de las células sigue suponiendo un desafío en la actualidad. Para la técnica de aspiración con micropipeta, hay modelos que asumen que la célula se comporta como un sólido elástico lineal incompresible en pequeñas deformaciones, y que permiten calcular el módulo elástico de la célula en función de la presión y longitud aspirada en la micropipeta.  También existen modelos para grandes deformaciones, que analizan la viscosidad aparente de las células asumiendo un comportamiento de fluido viscoso Newtoniano. Sin embargo, nos resulta curioso que los modelos más empleados para la aspiración de células con micropipeta no tengan en cuenta el tamaño finito de las células ni el contacto con la micropipeta. Además, asumen que las células son imcompresibles, es decir, que tienen un coeficiente de Poisson de 0,5.

Figura 1. Simulación numérica de la aspiración de células con micropipeta.

Con la intención de proponer una mejora en los modelos existentes para la aspiración de células con micropipeta, hemos desarrollado una metodología que permite calcular el módulo elástico y el coeficiente de Poisson de la célula aspirada. En este modelo numérico axisimétrico, de elementos finitos, consideramos el contacto de la célula con la micropipeta, mediante un radio de acuerdo, y hemos hallado una relación no lineal de la longitud aspirada de la célula con respecto a la presión de aspiración (figura1). También hemos comprobado que, empleando este modelo en ensayos de linfocitos, los valores del módulo elástico y coeficiente de Poisson que obtenemos son razonables para este tipo de células.

Los siguientes pasos de nuestra hoja de ruta van dirigidos a lograr automatizar aún más la técnica de aspiración de células con micropipeta, con el fin de aumentar el número de células analizadas por hora, de forma que un futuro pudiera aplicarse este modelo de trabajo al estudio de la deformabilidad de linfocitos T como biomarcador de la edad y funcionalidad.  Pero eso es otro cantar.

Mientras llega ese momento, podemos al menos afirmar que las células ya pueden lucir “modelito” nuevo esta temporada.

Referencias:

  •  Rosowski K. Introduction to Cell Mechanics and Mechanobiology. The Yale Journal of Biology and Medicine. 2013;86(3):436-437.
  •  Worthen, G. S., Schwab, B. I. I. I., Elson, E. L., & Downey, G. P. (1989). Mechanics of stimulated neutrophils: cell stiffening induces retention in capillaries. Science, 245(4914), 183-186.
  •  Suresh, S., Spatz, J., Mills, J. P., Micoulet, A., Dao, M., Lim, C. T., … & Seufferlein, T. (2015). Reprint of: connections between single-cell biomechanics and human disease states: gastrointestinal cancer and malaria. Acta biomaterialia, 23, S3-S15.
  •  Suresh, S. (2007). Biomechanics and biophysics of cancer cells. Acta Materialia, 55(12), 3989-4014.
  •  Engler, A. J., Sen, S., Sweeney, H. L., & Discher, D. E. (2006). Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell, 126(4), 677-689.
  •  Di Carlo, D. (2012). A mechanical biomarker of cell state in medicine. Journal of Laboratory Automation, 17(1), 32-42.
  •  Bao, G., & Suresh, S. (2003). Cell and molecular mechanics of biological materials. Nature materials, 2(11), 715-725.
  •  Plaza, G. R., Marí, N., Gálvez, B. G., Bernal, A., Guinea, G. V., Daza, R., … & Elices, M. (2014). Simple measurement of the apparent viscosity of a cell from only one picture: Application to cardiac stem cells. Physical Review E, 90(5), 052715.
  •  Hochmuth, R. M. (2000). Micropipette aspiration of living cells. Journal of biomechanics, 33(1), 15-22.
  •  Esteban-Manzanares, G., González-Bermúdez, B., Cruces, J., De la Fuente, M., Li, Q., Guinea, G. V., … & Plaza, G. R. (2017). Improved Measurement of Elastic Properties of Cells by Micropipette Aspiration and Its Application to Lymphocytes. Annals of biomedical engineering, 45(5), 1375-1385.
  •  Inner life of the cell: https://www.youtube.com/watch?v=FzcTgrxMzZk

 

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Visualizando los sorprendentes materiales estructurales de las neuronas

Por Gustavo R. Plaza (UPM)

Las ténicas de microscopía óptica más avanzadas permiten visualizar con extraordinaria resolución los materiales estructurales de nuestras células. Un reciente estudio dirigido por la Profesora Xiaowei Zhuang muestra la estructura tubular de los axones neuronales.

Tradicionalmente, los microscopios ópticos permiten adquirir imágenes en las que en el mejor de los casos la resolución alcanzada es del orden de centenares de nanómetros (es decir, por encima de 0.0001mm). Sin embargo en las últimas dos decadas, en especial la última, hemos sido testigos del desarrollo de técnicas ingeniosas que permiten mejorar esta resolución para visualizar moléculas biológicas. La resolución alcanzada es en este caso del orden de decenas de nanómetros. El gran interés es contribuir al estudio de las biomoléculas en el interior de las células, dando alas a la exploración microscópica de los secretos de la vida.

Una de estas técnicas ha sido bautizada con un nombre de aires tan matemáticos como microscopía de reconstrucción óptica estocástica (STochastic Optical Reconstruction Microscopy, STORM), y ha sido desarrollada por el Grupo de la Profesora Xiaowei Zhuang en Boston. La técnica utiliza microscopía de fluorescencia. Se utilizan pequeñas moléculas fluorescentes que pueden adherirse a las biomoléculas de interes. La idea básica de esta técnica es iluminar sólo una pequeña cantidad de las moléculas fluorescentes en cada instante y localizar con gran precisión su posición (los interesados pueden ver más detalles en el vídeo de este enlace).

Imágenes mostrando la excelente resolución alcanzada por microscopía de fluorescencia convencional y por la técnica STORM (ver texto; imagen: X. Zhuang).

Con esta ingeniosa y eficaz técnica, se han obtenido recientemente imágenes de tres proteínas que forman parte de la estructura tubular que contribuye a la resistencia y rigidez de los axones de las neuronas. Dichas proteínas se ensamblan en una estructura repetitiva a lo largo del axón, formando barras en la dirección axial del axón y anillos transversales. Una organización semejante sería la que podría proponer un ingeniero para una estructura tubular. El ingeniero elegiría los tamaños de los anillos y de las barras de forma que tuvieran la rigidez y la resistencia apropiadas. La solución encontrada por la naturaleza para los axones debe cumplir con estos requisitos, si bien la comprensión de estos detalles está esperando el análisis de los científicos apasionados por los materiales biológicos…

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Materiales e ingeniería de tejidos

Por Gustavo R. Plaza (Universidad Politécnica de Madrid)

La ciencia de materiales es una de las disciplinas esenciales en el desarrollo de la ingeniería de tejidos, que tiene como objetivo restablecer, mantener o mejorar la función de los tejidos de nuestro cuerpo.

La participación en el desarrollo de materiales para aplicaciones médicas es una actividad necesariamente atractiva para los investigadores en el campo de la ciencia e ingeniería de materiales. Este desarrollo multidisciplinar de materiales confluyó en el florecimiento de la actividad que se llamó ingeniería de tejidos en el tramo final del siglo XX. Previamente, fue necesario el vertiginoso avance de las ciencias de la vida a lo largo del siglo, puesto que lo que caracteriza a los materiales que desarrolla la ingeniería de tejidos es la incorporación de componentes que provienen de los organismos vivos.

Micrografía de tejido óseo. Los sustitutos biológicos ideales que pretende obtener la ingeniería de tejidos deberían ser rígidos e idealmente resistentes, permitiendo su reabsorción en el organismo y la regeneración del hueso.

En los primeros años del siglo XX se realizaron los primeros injertos de retina, en 1954 tuvo lugar el primer transplante de riñón y en la actualidad los transplantes de órganos se han convertido en una práctica médica corriente. Igualmente, los biomateriales inertes han contribuido a la mejora de nuestras condiciones de vida, presentes en dispositivos tan críticos como las válvulas de corazón artificiales. Sin embargo, la escasez de órganos y tejidos apropiados, o la conveniencia urgente de mejorar las soluciones disponibles, así como el aumento del número de pacientes por el alargamiento de la esperanza de vida, dieron origen a la idea de “aplicar los principios y métodos de la ingeniería y las ciencias de la vida para la obtención de un conocimiento fundamental de las relaciones estructura-función en los tejidos sanos y patológicos de mamíferos y el desarrollo de sustitutos biológicos para restablecer, mantener o mejorar las funciones de los tejidos”. Esta fue la definición, ya clásica, de la ingeniería de tejidos tal y como se entendía en los años 80 (Skalak y Fox 1988).

Micrografía de tejido hepático. En el caso del hígado, los sustitutos biológicos desarrollados mediante ingeniería de tejidos deberían restablecer la producción de biomoléculas esenciales.

Con la idea anterior, la ingeniería de tejidos persigue obtener sustitutos biológicos, combinando tres componentes esenciales: (a) un andamiaje (scaffold en inglés) que aporte la rigidez y las resistencias adecuadas, (b) células y (c) biomoléculas que favorezcan la proliferación de las células en el material. El andamiaje puede estar constituido por un material artificial o puede tener un origen biológico, si bien debe permitir la regeneración del tejido natural o reemplazarlo manteniendo perfectamente su función. Cuando el sustituto biológico ocupa el lugar de una región de tejido que se ha perdido o que debe reemplazarse, como por ejemplo cuando se trata de sustituir un segmento de una arteria o un injerto de hueso, la solución ideal sería aquella que permitiera la recuperación completa del tejido natural en esa región. Por tanto, en el caso de emplear un andamiaje de material artificial, éste debería ser reabsorbible en el medio corporal.

Micrografía de tejido muscular.

Los materiales artificiales que aparecen como más apropiados para la obtención de andamiajes son los materiales poliméricos. En particular, el poli(ácido láctico), PLA, y el poli(ácido glicólico),  PGA, se han utilizado profusamente en el desarrollo de sustitutos para diferentes tejidos. Ambos polímeros son reabsorbibles. Además, tienen un gran atractivo los propios materiales de origen biológico, buscando replicar la composición natural de nuestros tejidos. Así, por ejemplo, la hidroxiapatita es el biomineral más abundante en nuestros huesos y se han desarrollado sustitutos biológicos empleando hidroxiapatita. En este caso la ciencia de materiales ha contribuido al desarrollo de las tecnologías de obtención de pastas y sólidos que contienen hidroxiapatita y tienen una porosidad adecuada para permitir la proliferación celular y en último termino la reabsorción y la sustitución del implante por hueso natural.

En cuanto al componente celular de los productos obtenidos mediante ingeniería de tejidos, se trata de que estas células utilizadas ayuden a las propias células del organismo a la regeneración y recuperación de la funcionalidad. En algunos casos pueden emplearse células de donantes y en otros casos se emplean células del propio paciente, que pueden proliferar in vitro, en las condiciones adecuadas. En la primera década del siglo XXI se han abierto nuevas oportunidades para este componente, por el posible empleo de células madre en personas adultas e incluso de células pluripotenciales inducidas. En ambos casos, la esperanza es que estas células faciliten la regeneración de los tejidos.

Los interesados pueden visitar la web de la sociedad internacional de ingeniería de Tejidos y Medicina Regenerativa. Dejamos para un futuro post la discusión sobre el significado de ambos términos, y también algunos ejemplos de las aplicaciones para las que la ingeniería de tejidos ha permitido obtener con éxito soluciones, algunas de las cuales ya son productos comerciales.

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Nanotecnología (y 7): tectónica cristalina

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

Hemos reservado, para este último post de la serie, los cocolitos, que son magníficas filigranas calcáreas elaboradas por algas marinas unicelulares. El proceso constructivo de estas delicadas estructuras puede proporcionar ideas muy interesantes para fabricar pequeños componentes a partir de nanomateriales. Para ilustrar este concepto se resumen algunos aspectos de la construcción de la cocoesfera producida por el alga marina unicelular Emiliania huxleyi.

Figura 1. La cocoesfera que produce el alga marina unicelular Emiliania huxleyi es una filigrana esférica de calcita, formada por placas ovales llamadas cocolitos. Cada uno de estos está compuesto por 30 o 40 nanocristales de calcita. La síntesis de la cocoesfera es un impresionante ejemplo de autoensamblaje. (La foto de la cocoesfera es una cortesía de la Dra. Lluisa Cros Miguel).

La cocoesfera que elabora el alga E. huxleyi es una filigrana esférica de calcita y está formada por placas ovales llamadas cocolitos (Fig. 1). El tamaño de los cocolitos es de unas 3 micras y cada uno está compuesto por 30 o 40 nanocristales de calcita. Esta compleja estructura se forma por autoensamblaje de pequeñas unidades, lo que implica una secuencia de procesos coordinada e integrada. Inicialmente se forma un anillo de placas romboédricas de calcita, como si fuera un collar, y posteriormente los cristales crecen hacia el centro y hacia el exterior. Cada elemento del cocolito —a pesar de su forma complicada— es un monocristal de calcita (para más detalles véase Didymus J.M., Young J.R., Mann S. (1994) Construction and morphogenesis of the chiral ultraestructure of coccoliths from the marine alga Emiliania huxleyi. Proc. R. Soc. Lond. B 258, 237-245). Después, los cocolitos viajan hasta la superficie de la célula y se ensamblan para formar la cocoesfera.

La síntesis de una cocoesfera es un proceso complejo de fabricación de materiales que se realiza a distintos niveles; desde unos pocos nanómetros hasta miles de nanómetros. Las células de las algas no se han especializado en la biomineralización  —a diferencia  de  los  osteoblastos, por ejemplo— sin embargo poseen la maquinaria para estos procesos complejos. Por este motivo, este ejemplo puede proporcionar pistas que ayuden a entender —y quizás a copiar— las sofisticadas técnicas de autoensamblaje que usa la naturaleza.

S. Mann ha acuñado el término tectónica cristalina para imitar los complejos procesos de biomineralización. La palabra tectónica proviene del griego y está relacionada con el arte de construir. La tectónica cristalina se puede definir como la ciencia de la construcción de estructuras supramoleculares a partir de nanopartículas inorgánicas. Las fuerzas que dirigen y ordenan el autoensamblaje provienen de las interacciones complementarias entre grupos químicos en las superficies de las nanopartículas (Mann S., Ozin G.A. (1996) Synthesis of inorganic materials with complex form. Nature 382, 313-318). Veamos algunos ejemplos.

Un proceso simple de autoensamblaje es el ensamblaje interactivo (ver figura 2a). La fuerza que dirige el ensamblaje es la que tiende a formar una bicapa entre las moléculas orgánicas adsorbidas sobre las nanopartículas. Por este procedimiento se pueden construir delgados filamentos cristalinos de nanopartículas de BaSO4, o de BaCrO4, cuando  se  recubren  con   moléculas  surfactantes apropiadas, en este ejemplo con AOT ( bis-(2-hexil etil) sulfosuccinato).

Figura 2. Ejemplo de autoensamblaje.
a.- Ensamblaje interactivo. La fuerza que dirige el ensamblaje es la que tiende a formar una bicapa entre las moléculas orgánicas adsorbidas sobre las nanopartículas. En la fotografía (Mann et al. 2000) se pueden ver cadenas de nanopartículas de cromato de bario autoensambladas interactivamente.
b.- Ensamblaje programado, basado en la especifidad del reconocimiento e interacción entre el antígeno y el anticuerpo. En la fotografía (Mirkin et al. 1996) se observan conjuntos de nanopartículas de oro autoensambladas por este procedimiento. Los anticuerpos, adsorbidos a las partículas de oro, se han dibujado esquemáticamente. El antígeno con dos grupos funcionales se ha representado por dos rectángulos rojos y se ha incluido su fórmula química.

Otra forma, más sofisticada, es el ensamblaje programado. Se basa en la especificidad del reconocimiento e interacción entre el antígeno y el anticuerpo. En la actualidad, ya es posible producir proteínas con regiones específicas para que se enlacen con determinadas moléculas. Por ejemplo, si se elige como antígeno una molécula que contenga el grupo dinitrofenilo (DNP) y se fabrican anticuerpos basados en la inmunoglobulina E (IgE), el anticuerpo resultante —llamado anti-DNP IgE— será una proteína que tendrá regiones  que  reconocerán  y se asociarán con moléculas de DNP. Esta estrategia se ha utilizado en tectónica cristalina para construir estructuras a partir de nanopartículas de oro (ver figura 2b). El primer paso consiste en adsorber los anticuerpos —anti-DNP IgE— a las nanopartículas de oro, después diseñar el antígeno con dos grupos funcionales de DNP y, finalmente, dejar que reaccionen para que se agreguen las partículas.

Esta estrategia —la especificidad de la reacción antígeno anticuerpo— también se puede utilizar con las hebras de DNA y sus complementarias. Mirkin y Alivisatos, entre otros, (Mirkin C.A. et al. (1996) A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials. Nature 382, 607-609, Alivisatos A.P. et al. (1996) Organization of nanocrystal molecules using DNA. Nature 382, 609-611) han conseguido agregados de partículas de oro, de 13 nm, recubriéndolas con hebras de DNA en las que se añade en un extremo un grupo tiol, que se une al oro. Para conseguir que las nanopartículas se agrupen hay que incorporar a la solución moléculas formadas por dos cadenas de DNA complementarias a las anteriores. Con este procedimiento se pueden fabricar materiales con las propiedades ópticas y electrónicas deseadas. Es más, estas técnicas se pueden utilizar para analizar o extraer, de forma selectiva, nanopartículas dentro de poblaciones heterogéneas siempre que las nanopartículas estén codificadas con su hebra de DNA.

La tectónica cristalina no permite, todavía, fabricar estructuras tan sofisticadas como los cocolitos, pero ya se consiguen cadenas como las que poseen las bacterias magnéticas. En el futuro, cuando en vez de partir de partículas esféricas se parta de cristales y se sepa controlar el tipo de molécula que ha de adsorberse en cada cara del cristal, se podrán fabricar por autoensamblaje nano y microestructuras complejas.

EPILOGO

Igual que hace 700 años, también hoy hay una cierta desconfianza sobre las fabulosas narraciones de los exploradores que se han aventurado en el nuevo mundo de la nanociencia. También se nota cierto escepticismo cuando se plantean inversiones en nanotécnica, algo parecido a las dudas que debieron tener los armadores venecianos antes de equipar una nave en busca de fortuna rumbo al Lejano Oriente.

Es posible —muy probable— que surjan nuevos Cristóbal Colón que hagan insospechados descubrimientos motivados por la sugerente información proporcionada por los exploradores que regresan de sus viajes en la punta de un alfiler. Colón tenía una edición latina de 1485 del Libro de las Maravillas con numerosas apostillas.

La experiencia nos enseña que la realidad suele ser más rica que la fantasía y es posible —casi seguro— que el futuro de la nanotécnica, con sus nanomateriales, sea más interesante que el que nos narran los exploradores del siglo XXI. Un coetáneo de Marco Polo escribió que éste había defendido su texto incluso en el lecho de muerte. A los amigos que le exhortaron a retractarse antes de ir a reunirse con Dios, les respondió categóricamente “No he descrito ni la mitad de lo que vi”.

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Nanotecnología (6): Biomineralización

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

En el post anterior de esta serie sobre nanotecnología hablábamos del autoensamblaje de moléculas, que caracteriza la formación de materiales en los seres vivos.

Los fabricantes de materiales cerámicos buscan procedimientos baratos y eficaces para producir polvos muy finos —nanométricos— con el fin de elaborar cerámicas más fiables. Estos polvos tan finos se pueden sinterizar a temperaturas y presiones más bajas debido a su gran relación superficie/volumen. También permiten conseguir productos con menos defectos y con poros más pequeños; las cerámicas fabricadas a partir de nanopolvos suelen ser más tenaces que las cerámicas tradicionales. Ya se han fabricado prototipos de motores de explosión con componentes cerámicas a base de nanopolvos. Las ventajas son: menos peso, más resistencia a la corrosión y al desgaste, y mejor rendimiento. La dificultad está en conseguir nanopolvos baratos, ya que los procedimientos habituales —molienda y machaqueo— no permiten llegar a los grados de finura deseados. Por estos motivos los científicos han puesto los ojos en la naturaleza, en busca de ideas.

La naturaleza fabrica nanomateriales por biomineralización. Desde las nanobrújulas que usan las bacterias hasta las estructuras macroscópicas de las conchas de los moluscos, los corales o los colmillos de los elefantes, todas estas maravillosas estructuras, las ha producido la naturaleza depositando materiales inorgánicos sobre sistemas biológicos. La biomineralización implica la extracción selectiva de elementos del entorno y su incorporación en estructuras funcionales bajo control biológico. La biomineralización está teniendo un gran impacto en la ciencia de los materiales y en otras áreas como la paleontología y taxonomía (por los fósiles), la geoquímica, la sedimentología o el estudio de la evolución del clima.

La biomineralización suele ofrecer a los organismos algo más que un esqueleto; les proporciona movimiento, protección, flotabilidad y sistemas sensoriales que responden a los campos gravitatorio, óptico y magnético. Detengámonos, por curiosidad, en este último aspecto.

Parece ser que el campo magnético terrestre influye en el comportamiento de muchos seres vivos. Se pueden encontrar ejemplos en microorganismos —como bacterias y algas— abejas, salamandras, peces, tortugas, aves, mamíferos marinos y, posiblemente, en humanos. El ejemplo que se conoce mejor es el de la magnetorecepción y magnetonavegación de las bacterias con magnetosomas. R.P. Blakemore (1975) fue el primero que describió estos singulares microorganismos al observar cómo grandes poblaciones de bacterias acuáticas migraban siguiendo las líneas del campo magnético terrestre (Blakemore R.P. (1975) Magnetotactic bacteria. Science 190, 377-379).

Los magnetosomas de las bacterias, en esencia, están formados por un nanocristal magnético rodeado por una membrana. Los cristales más frecuentes son óxido de hierro en forma de magnetita, Fe3O4, y sulfuro de hierro en forma de geigita, F3S4. Ambos son ferrimagnéticos a temperatura ambiente y cristalizan con la estructura de la espinela inversa. El tamaño de los cristales siempre está dentro de unos límites muy estrechos —entre 35 y 120 nm— con objeto de optimizar la magnetización. Si las partículas son menores de 35 nm, tienen un comportamiento superparamagnético y no exhiben magnetización remanente. Y si son mayores de 120 nm, se pueden formar varios dominios magnéticos y, por lo tanto, reducir también la magnetización remanente. La naturaleza no deja de sorprendernos y nos muestra cómo la evolución ha optimizado el tamaño de los nanocristales para que sea el de un solo dominio magnético.

En muchas bacterias los magnetosomas están dispuesto en cadenas, de forma que los momentos dipolares magnéticos de cada nanopartícula sean paralelos al eje de la cadena. Con esta disposición, el momento magnético de la célula es la suma de los momentos de las partículas y la célula maximiza el momento magnético total. Este momento es suficientemente grande para que su interacción con el campo magnético terrestre supere las interacciones de origen térmico que tienden a orientar aleatoriamente las células en medios acuosos. La cadena de magnetosomas es una obra de arte de la bioingeniería y se comporta como la aguja de una brújula biomagnética. Las bacterias con magnetosomas han resuelto el problema de diseñar un dipolo magnético permanente, suficientemente pequeño para poderlo construir dentro de ellas y que les sirva para orientarse en el campo geomagnético mientras nadan.

Las nanopartículas magnéticas de las bacterias han sugerido numerosas aplicaciones, las más inmediatas centradas en sistemas de impresión y registro de datos. Una revisión excelente de las características más interesantes del magnetismo de sistemas de nanopartículas puede verse en un artículo de Hernando y González (Hernando A., González A. (2000) Nanoestructuras magnéticas: Un hito en el desarrollo de los materiales magnéticos. En Temas Actuales en Ciencia de Materiales (A. Conde et al. Eds.). Univ. de Sevilla, 39-71). Las dificultades para su comercialización aparecen cuando se intenta producirlas a escala industrial. Se ha trabajado en desarrollar un procedimiento comercial para un cultivo axénico masivo de bacterias con magnetosomas. Parece ser que la producción máxima está alrededor de 5 gramos de magnetita por cada 1000 litros.

La inmovilización de sustancias bioactivas es otra posible utilización de los nanoimanes y, también, se ha especulado sobre su utilización para transportar y administrar fármacos agresivos mediante campos magnéticos externos. En 1984, Schwartz y Blakemore patentaron el uso de las bacterias con magnetosomas para ensayos clínicos, inmunoensayos, separación de células y biosensores.

Matsunaga y Kamiya, en 1987, ya destacaron las ventajas de las nanopartículas procedentes de las bacterias frente a las nanopartículas artificiales que, fácilmente, forman agregados de 1000 a 2000 nm de diámetro y no son aptas para el transporte de fármacos (Matsunaga T., Kamiya S. (1987) Use of magnetic particles isolated from magnetotactic bacteria for enzyme immobilization. Appl. Microbiol. Biotechnol. 26, 328-332). Además, dichos investigadores compararon la actividad de la glucosa oxidasa y de la uricasa asociadas a nanopartículas magnéticas procedentes de bacterias y de nanopartículas magnéticas artificiales y encontraron que la actividad en las primeras era 40 veces superior y que podían reutilizarse hasta 5 veces, mientras que las sustancias bioactivas asociadas a partículas artificiales perdían el 80% de su actividad al cabo de cinco ciclos.

Otros organismos unicelulares, en este caso algas, producen filigranas calcáreas que nos cautivan por su sorprendente belleza: los cocolitos, a los que dedicaremos el próximo post de esta serie.

 

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El problema mecánico de los vasos sanguíneos

Por José Miguel Atienza (Universidad Politécnica de Madrid)

 

El cuerpo humano es un prodigio de ingeniería y una constante fuente de inspiración por la forma en que trata y resuelve muchos problemas ingenieriles. Cuando pensamos en el comportamiento mecánico del cuerpo solemos centrarnos siempre en los huesos, que son los materiales biológicos duros encargados de resolver cómo soportar las cargas de nuestro peso y permitir el movimiento.

Pero hay más… Por ejemplo: ¿cómo soportar las presiones generadas por esa bomba pulsátil que es el corazón, y hacer además que el flujo de sangre que sale a borbotones llegue a nuestros órganos en el régimen suave y estacionario que necesitan para su funcionamiento? ¿y cómo soportar eso durante cien años y cerca 3.000 millones de latidos? No es un problema mecánico sencillo y, a día de hoy, lo que podemos decir es que no disponemos de materiales artificiales que lo resuelvan de forma tan óptima como lo ha logrado la naturaleza.

¿Cuáles son las solicitaciones mecánicas que soportan nuestras arterias durante su funcionamiento?

Aunque a menudo se suele considerar que las arterias únicamente están sometidas a una presión interior, el estado tenso-deformacional en la pared de un vaso sanguíneo es complejo, ya que al efecto del fluido se le superponen las cargas impuestas por la interacción con el fluido y con el resto de tejidos circundantes:

- La presión interior: La presión sanguínea interior varía de forma importante a lo largo del sistema cardiovascular, alcanzando sus valores más elevados a la salida del ventrículo izquierdo del corazón. En un hombre sano la presión interior que soportan sus arterias oscila aproximadamente entre 80 y 120 mmHg. Las venas transportan sangre a una presión menor y sensiblemente constante, cuyo valor se sitúa entre 5 y 15 mmHg.

- Tensiones tangenciales: el flujo sanguíneo, además de la presión, produce tensiones tangenciales. No es fácil conocer el nivel de las tensiones tangenciales en el endotelio dada la imposibilidad de medida directa, pero algunos autores citan valores entre 1.5 y 3Pa. Pese a moverse siempre dentro de valores muy pequeños, la tensión tangencial -a través del efecto producido en las células endoteliales- se considera un factor directamente relacionado con el desarrollo de procesos ateroscleróticos y de remodelación arterial.

- Alargamiento longitudinal: los vasos sanguíneos se encuentran estirados longitudinalmente en el interior del cuerpo durante su funcionamiento normal. Esto se confirma observando su contracción cuando son extraídos. El valor del alargamiento axial in vivo depende del tipo de vaso, de la edad y la patología, entre otros factores. Este alargamiento puede llegar a generar en el vaso tensiones tan importantes como las producidas por la presión interna.

La respuesta mecánica de las arterias

Ante esta solicitación mecánica compleja, las arterias tienen una respuesta caracterizada por las siguientes propiedades:

- Incompresibilidad: Los tejidos que componen la pared vascular contienen cantidades importantes de agua, entre el 70 y el 80% en peso. Por ello es habitual considerar el material (como la mayoría de los materiales blandos) incompresible.

- Elasticidad no-lineal: El comportamiento mecánico de las arterias es altamente no-lineal. La pared arterial está formada, fundamentalmente, por músculo liso, elastina y colágeno. La respuesta del vaso desde las presiones bajas o moderadas, hasta los valores correspondientes al rango fisiológico, es muy flexible y está gobernada fundamentalmente por las fibras elásticas que entran en funcionamiento incluso con pequeños valores de la deformación. La rigidización para deformaciones mayores sucede por el reclutamiento y alineamiento de las fibras de colágeno, que a medida que se deforma el vaso se alinean y orientan, perdiendo sus ondulaciones.

Figura 1: Contribución de las fibras elásticas (elastina) y del colágeno al comportamiento mecánico de la pared vascular

- Grandes deformaciones: Los vasos sanguíneos están sometidos habitualmente a grandes deformaciones tanto en la dirección longitudinal (alargamientos longitudinales) como en la circunferencial (fruto de la presión interior), que en muchos casos pueden superar el 50% de deformación.

- Anisotropía: Debido a la diferente disposición y distribución de las fibras elásticas y de colágeno y las células musculares, el comportamiento de un vaso sanguíneo en dirección circunferencial difiere del que tiene en la dirección longitudinal.

- Dependencia del tiempo: La respuesta mecánica del tejido vascular varía en función de la velocidad y duración de la carga aplicada, y de si ésta es monótona o cíclica, lo que tiene gran importancia para el funcionamiento en el interior del organismo ya que la mayor parte de las cargas actuantes son pulsátiles. Al someter un elemento de pared vascular a solicitaciones cíclicas la curva tensión-alargamiento describe un ciclo de histéresis más o menos amplio en función del tipo de vaso. El área entre los dos caminos representa la energía disipada en el ciclo y da idea de la capacidad de amortiguación de la pared vascular.

Figura 2: Histéresis de la curva carga-descarga de la pared arterial

En conjunto, estas cinco propiedades definen un material tremendamente complejo desde el punto de vista mecánico pero óptimo para el funcionamiento de nuestro cuerpo. La flexibilidad y el amortiguamiento que presenta la respuesta mecánica de las arterias son claves para nuestro sistema circulatorio. De hecho, muchas enfermedades cardiovasculares están relacionadas con el deterioro de esta respuesta.

¿Cómo logra la pared arterial ese comportamiento? Mejor lo dejamos para otro post, pero lo cierto es que aún no lo tenemos del todo claro. Comprender el comportamiento mecánico de la pared arterial resulta imprescindible para entender la fisiología de nuestro sistema vascular, así como para el desarrollo de los tratamientos y técnicas para enfrentarse a los distintos problemas cardiovasculares. Pero aún estamos lejos de tener un modelo capaz de tener en cuenta factores tan importantes como el comportamiento dinámico, la influencia de la edad o los efectos de las diferentes enfermedades.

La complejidad del problema y su trascendencia para la salud justifican, cada vez más, la colaboración interdisciplinar de médicos, biólogos e ingenieros. Y, en este contexto, la Ciencia e Ingeniería de Materiales está demostrando ser una herramienta útil para aportar luz sobre el comportamiento mecánico de los materiales biológicos y tratar de crear biomateriales capaces de reemplazarlos cuando se deterioren. Dentro de esta colaboración interdisciplinar es fundamental que cada uno ocupe y sea consciente del lugar que le corresponde. Los problemas médicos y biológicos son tremendamente complejos, afectan muchas variables y funciones que sólo los médicos pueden entrever en su totalidad. El papel de los Ingenieros de Materiales no es, desde luego, resolverlos, sino apoyar a los médicos, utilizando sus conocimientos y sus herramientas para dar luz sobre una pequeña, pero importante, parte del problema.

 

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Aún intrigados por la secreta microestructura de la seda de araña

Por Gustavo R. Plaza (Universidad Politécnica de Madrid)

Las excelentes propiedades de las fibras de seda de araña han hecho que este material sea especialmente conocido y que los avances científicos en su estudio tengan una amplia difusión en los medios de comunicación.

El interés se acentuó en las últimas décadas del siglo XX, cuando quedaron bien descritas las propiedades mecánicas, que las fibras han adquirido a lo largo de cientos de millones de años de evolución. En particular, es el material con mayor trabajo hasta rotura por unidad de volumen, por lo cual es idóneo para absorber energía en un impacto (a velocidad no muy elevada, como ocurre con los impactos de insectos en las telas de araña). Como atractivo añadido, las sedas son además una familia de materiales especialmente adecuados para aplicaciones en el campo de la biomedicina. Por ejemplo, se ha estudiado, con resultados excelentes, su posible utilización para obtener andamiajes aplicables en ingeniería de tejidos.

Si bien la seda que producen las arañas es la que tiene (con diferencia) las mejores propiedades, no resulta económicamente viable poner en marcha una industria dedicada a la extracción de seda de las arañas. Una de las razones es el hecho de que estos animales no pueden convivir en el mismo espacio por sus costumbres depredadoras. Por ello, se  han hecho continuos esfuerzos para responder a la gran pregunta que permitiría la producción de fibras equivalentes a las de las arañas: ¿cual es la relación entre las excelentes propiedades mecánicas de las fibras de seda naturales y su microestructura, composición y procesado? o dicho de otra forma, ¿podremos nosotros copiar a las arañas? A pesar de todo el trabajo llevado a cabo, aún hoy no somos capaces de obtener artificialmente fibras equivalente a las naturales, ni siquiera partiendo (supuestamente) de la misma composición, lo cual sigue intrigando a los científicos que han dedicado varias décadas de su vida a este tema.

Es cierto que en algunos momentos se han publicado resultados prometedores sobre obtención de fibras artificiales con propiedades comparables a las naturales o incluso superiores, pero que finalmente no han pasado de ser posibles promesas. Esta situación indica que aún no entedemos detalles importantes en la organización microestructural de las fibras.

Enfrentados a este desconcertante problema, en el Grupo de Materiales Biológicos y Biomateriales de la UPM hemos estudiado las propiedades de fibras naturales de seda durante más de una decena de años. En este tiempo hemos ampliado progresivamente las técnicas utilizadas, desde los ensayos mecánicos para medir la resistencia y deformación, hasta los ensayos de difracción de rayos X, de resonancia magnética nuclear o espectroscopía Raman para estudiar la microestructura. Las fibras están compuestas de proteínas con una longitud enorme (a escala molecular, claro), pues tienen millares de aminoácidos (las unidades que forman estos heteropolímeros). Las cadenas proteínicas se encuentran alineadas de forma ordenada en ciertas regiones cristalinas del material, y aparecen de una forma más desorganizada, como una maraña de cadenas, en las regiones desordenadas o amorfas.

En el trabajo del grupo publicado recientemente en la revista Soft Matter (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25446h), se ha estudiado cómo evolucionan las regiones cristalinas cuando se deforma una fibra.

Esquema de la evolución de las zonas cristalinas en las fibras de seda de araña: al estirar las fibras se produce una rotación de las zonas cristalinas, seguida después de un aumento de su tamaño.

Los detalles del proceso son especialmente interesantes: primero se produce la rotación de los las zonas cristalinas, lo cual supone un cambio en las regiones desordenadas, y después se produce el aumento de la fracción cristalina. Este trabajo aporta una información valiosa para la comprensión de los detalles microestructurales que permitirá finalmente explicar y modelizar las propiedades de las sedas.

Para saber más sobre el tema, se puede leer por ejemplo el artículo en Investigación y Ciencia “Usos médicos de la seda”.

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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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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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Sin un rasguño

Por Álvaro Ridruejo (Universidad Politécnica de Madrid)

 

Los diseñadores de aeronaves pueden aprender ciertas lecciones de los escorpiones

El escorpión desértico del norte de áfrica, Androctonus australis, es una criatura resistente. La mayoría de los animales que viven en desiertos cavan madrigueras para protegerse del viento cargado de arena. El Androctonus no, soporta todo en la superficie. Incluso cuando la arena azota con velocidades a las que arrancaría pintura de una placa de acero, el escorpión es capaz de moverse rápidamente sin sufrir daño aparente. Han Zhiwu y sus colegas de la Universidad de Jilin en China se preguntaban por qué.

Su curiosidad no es meramente académica. Los motores de aviación y los rotores de los helicópteros están continuamente sometidos a la abrasión del polvo atmosférico, y cualquier método encaminado a disminuir la abrasión resulta muy apreciado. El Dr. Han sospecha que los escorpiones podrían proporcionar una respuesta. Según escribe en la revista Langmuir, ha descubierto que la superficie del exoesqueleto del Androctonus es irregular. Si esta irregularidad en la superficie se traslada a otros materiales, también parece tener un efecto protector.

Las investigaciones del Dr. Han comenzaron con un recorrido en busca de escorpiones por las tiendas de animales de Changchun, ciudad donde se encuentra la universidad. Después de haber obtenido sus especímenes, los fotografió con un microscopio bajo luz ultravioleta. La luz ultravioleta provoca fluorescencia en el exoesqueleto del animal, compuesto de un polisacárido llamado quitina, y revela las características de su superficie. El equipo averiguó que la coraza del Androctonus está cubierta de gránulos hemisféricos de 10 micras de altura y entre 25 y 80 micras de diámetro. Estos gránulos parecían ser la clave de la despreocupación del animal frente a las tormentas de arena.

Para comprobarlo, tomaron más fotografías. En particular, usaron un sistema de barrido láser para componer un mapa tridimensional de la coraza y acoplarlo a un programa que simulaba el impacto de los granos de arena a distintos ángulos de ataque. Esto reveló que los gránulos alteraban el flujo de aire cerca de la superficie del exoesqueleto de tal modo que el ritmo de erosión parecía reducirse. El modelo también predecía que si el exoesqueleto fuera completamente liso, sufriría una velocidad de erosión doble a la que se da en la realidad.

Después de las simulaciones por ordenador, el equipo procedió a la verificación experimental. Colocaron muestras de acero en un túnel de viento y lanzaron granos de arena contra ellas utilizando aire comprimido. Una de las piezas de acero era lisa, mientras que el resto, inspiradas en el exoesqueleto del escorpión, tenían grabadas en su superficie estrías de distintas altura, anchura y separación. Se expuso cada muestra a la tormenta de arena artificial durante cinco minutos y después se pesaron para medir el grado de erosión.

El resultado fue que el patrón más parecido al exoesqueleto del escorpión (a escala, con estrías separadas 2 mm y un tamaño de 5 mm de anchura y 4 mm de altura) demostró ser el que mejor resistía el ataque. Aunque no es tan buena como la predicción del modelo de ordenador para la geometría real del escorpión, esta rugosidad reduce la erosión en un 20% en comparación con la superficie de acero lisa. Según el Dr. Han, la lección para los constructores aeronáuticos es que cierta irregularidad en la superficie podría contribuir a alargar la vida de aviones y helicópteros, al igual que lo hace con la de los escorpiones.

Esta entrada es una traducción de la noticia aparecida en “The Economist” (04/02/2012): http://www.economist.com/node/21545971

Artículo original: Han Zhiwu, Zhang Junqiu, Ge Chao, Wen Li, and Luquan Ren. Erosion Resistance of Bionic Functional Surfaces Inspired from Desert Scorpions. Langmuir, 2012, 28 (5), pp 2914–2921

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