hidrogeles? Mucha gente usa estas sustancias sin saberlo. Como superabsorbentes en pañales, por ejemplo, los hidrogeles absorben mucho líquido. En el proceso, el material inicialmente seco se vuelve gelatinoso, pero no se humedece. Algunas personas colocan el material hinchable en sus globos oculares; los lentes de contacto blandos también son solo hidrogeles. Lo mismo ocurre con la gelatina y otros materiales cotidianos.

Los hidrogeles también juegan un papel en la ciencia. Desde un punto de vista químico, son moléculas poliméricas alargadas tridimensionalmente reticuladas que forman cavidades. En el interior, pueden absorber y retener moléculas de agua.

En el grupo de trabajo del exprofesor de química de Würzburg, Robert Luxenhofer, se está probando la idoneidad de los hidrogeles para la biofabricación : por ejemplo, los hidrogeles se pueden usar para la impresión 3D como estructuras de andamiaje, en las que se pueden unir las células. De esta forma, por ejemplo, se pueden producir tejidos artificiales para investigación médica y terapias regenerativas.

La formación de hidrogel planteó un rompecabezas

Durante esta investigación, el Dr. Lukas Hahn del equipo de Luxenhofer notó una forma inusual de formación de hidrogel. Lo observó en polímeros destinados a la nanomedicina, específicamente para la administración de fármacos.

Estos polímeros se organizan en nanopartículas esféricas en agua a 40 grados. Cuando el agua se enfría por debajo de los 32 grados, las esferas se agrupan en estructuras parecidas a gusanos y se forma un gel. Cuando se calienta, se disuelve de nuevo.

« Este comportamiento es muy raro en los polímeros sintéticos y fue completamente inesperado », explica Robert Luxenhofer, quien ahora enseña e investiga en la Universidad de Helsinki. Si ocurre, la formación de gel generalmente se debe a enlaces de hidrógeno, fuerzas atractivas entre grupos funcionales polares que involucran átomos de hidrógeno que tienen un efecto estabilizador. Tales interacciones son de importancia central para la estructura y función de las proteínas, por ejemplo.

Sin embargo, las cosas son bastante diferentes con los polímeros que tratamos aquí. En cuanto a su estructura química, no son capaces de formar enlaces de hidrógeno entre sí. Aparentemente, los investigadores se habían topado con un mecanismo desconocido de formación de gel.

Avance con la espectroscopia de RMN

Para resolver el rompecabezas, Robert Luxenhofer buscó la cooperación de la profesora de química Ann-Christin Pöppler en Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), experta en la caracterización de nanopartículas hechas de polímeros. En cooperación con otros grupos de investigación, su equipo analizó más de cerca la forma peculiar de formación de gel, un rompecabezas complejo que tardó dos años en resolverse.

« Pudimos dilucidar el mecanismo desconocido porque usamos una amplia variedad de herramientas analíticas. Al final, sin embargo, el avance se produjo con varios métodos de espectroscopia de RMN », explica el químico de JMU. Su estudiante de doctorado Theresa Zorn descubrió qué conduce a la formación de gel en este caso : interacciones específicas entre los grupos amida de los anillos fenílicos y solubles en agua de los bloques de construcción de polímeros no solubles en agua. Estas interacciones hacen que las nanopartículas esféricas se condensen y se reestructuren en estructuras similares a gusanos.

Los hallazgos podrían confirmarse mediante cálculos teóricos: el Dr. Josef Kehrein, ex estudiante de doctorado del profesor de JMU Christoph Sotriffer, experto en modelado asistido por computadora de interacciones tridimensionales entre moléculas, logró hacerlo. Él también trabaja ahora en Helsinki.

Los resultados han sido publicados en ACS Nano, una revista de la American Chemical Society (ACS). La Fundación Alemana de Investigación (DFG), la Academia de Finlandia y otros patrocinadores financiaron el trabajo.

Qué pasos de investigación siguen

¿A dónde vamos desde aquí? Los investigadores están convencidos de que el mecanismo de formación de hidrogel recién descubierto también es relevante para otros polímeros y para sus interacciones con tejidos biológicos.

Por lo tanto, el equipo quiere modificar químicamente los polímeros para ver cómo esto afecta sus propiedades y la hidrogelación. Puede ser posible influir específicamente en la temperatura de gelificación, así como en la resistencia y durabilidad del gel. De los materiales modificados, se podrían seleccionar aquellos que son más adecuados para su uso en biofabricación.

Financiado por la Universitätsbund Würzburg, el equipo de Ann-Christin Pöppler también quiere investigar si las nanopartículas y, por lo tanto, también el hidrogel pueden cargarse con « moléculas invitadas ». Esto podría ser interesante para aplicaciones médicas: si el gel se disuelve a la temperatura corporal, podría liberar las sustancias activas con las que estaba previamente cargado. Son concebibles aplicaciones en forma de implantes, emplastos o lentes de contacto.