Científicos de 4D-BIOMAP, un proyecto ERC de investigación de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M), han desarrollado un nuevo método de experimentación celular basado en polímeros magnetoactivos. Estos compuestos, que consisten en una matriz polimérica (un elastómero) que contiene partículas magnéticas (de hierro, por ejemplo), reaccionan mecánicamente y cambian de forma y rigidez. Este sistema podría emplearse para el estudio de escenarios complejos (como en los traumatismos cerebrales, cicatrización de heridas, etc) o para influir en el comportamiento de las células, llegando a guiar sus funciones.
“Hemos conseguido reproducir las deformaciones locales que ocurren en el cerebro cuando está sometido a un impacto. Esto permitiría reproducir en el laboratorio estos casos, analizando en tiempo real lo que les ocurre a las células y cómo se dañan. Además, hemos validado el sistema demostrando su capacidad para transmitir fuerzas a las células y actuar sobre ellas”, explica el investigador responsable de 4D-BIOMAP, Daniel García González, del Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la UC3M.
La idea de este proyecto es poder realizar estudios reproduciendo procesos biológicos complejos a través de un nuevo sistema experimental virtualmente asistido, que permite el control no invasivo y en tiempo real del entorno mecánico. Las células y los tejidos biológicos están continuamente sujetos a estrés mecánico proveniente de su sustrato circundante, por lo que analizar y controlar las fuerzas que influyen en su comportamiento supondría un hito para el mundo de la “mecanobiología”.
El sistema propuesto por 4D-BIOMAP se basa en el uso de polímeros magnetoactivos extremadamente blandos que imitan la rigidez de los materiales biológicos. Gracias a sus cualidades, los materiales magnetoactivos permiten a los investigadores realizar un control sin ataduras de los sustratos biológicos, ya que los cambios mecánicos que se les apliquen durante la experimentación podrán ser reversibles.
“Toda esta ciencia básica la hemos empleado para, apoyados por el modelo computacional, diseñar un sistema de actuación inteligente que, acoplado a un microscopio desarrollado dentro de la ERC, nos permite visualizar la respuesta celular in situ. De esta manera, hemos consolidado un marco completo para estimular los sistemas celulares con materiales inteligentes magnetoactivos”, comenta Daniel García González. Este marco propuesto abre el camino para comprender los procesos “mecanobiológicos” complejos que ocurren durante estados de deformación dinámicos, como sucede en el caso de una lesión cerebral traumática, en la cicatrización patológica de la piel o en la remodelación fibrótica del corazón durante el infarto de miocardio, por ejemplo.
En el artículo científico que describe estos avances, publicado recientemente en la revista Applied Materials Today, han participado investigadores de la University of the West of England (UWE) de Bristol, del Imperial College London y del Instituto de Investigacion Sanitaria Gregorio Marañon de Madrid. Dentro de la UC3M, participan los profesores Miguel Ángel Moreno, Jorge González, Clara Gomez, Maria Luisa López y Ángel Arias, del Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras, así como Arrate Muñoz y Diego Velasco, del Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Aeroespacial.
4D-BIOMAP (Biomechanical Stimulation based on 4D Printed Magneto-Active Polymer; Estimulación Biomecánica basada en Polímeros Magneto-Activos por impresión 4D) es un proyecto de cinco años de duración financiado con 1,5 millones de euros por el Consejo Europeo de Investigación (European Research Council) a través de una ayuda ERC Starting Grant del Programa Marco de Investigación e Innovación de la Unión Europea, Horizonte 2020 (GA 947723). Este proyecto de investigación aplica una perspectiva multidisciplinar, involucrando conocimientos de disciplinas como la mecánica de sólidos, el magnetismo y la bioingeniería y combina metodologías computacionales, experimentales y teóricas.
La imagen muestra las fuerzas generadas por un campo magnético externo sobre las partículas incrustadas en el material. Estas interacciones son simuladas por un modelo computacional que es capaz de guiar el proceso de fabricación y experimentación (imagen intermedia). Por último, las fuerzas generadas son transmitidas a las células cultivadas sobre el material inteligente (imagen inferior). Dicha actuación sobre las células dará lugar a cambios o activación de sus funciones biológicas, como su proliferación, migración u orientación, entre otras.
