Este material revela la oportunidad de usar casi cualquier otro material común como su propio circuito integrado, capaz de “pensar” y responder a su entorno. Dicho material puede recibir un estímulo mecánico, procesarlo y reaccionar acorde a ello de manera simultánea sin la necesidad de componentes electrónicos adicionales.

Este polímero suave es un conductor que contiene circuitos reconfigurables capaces de realizar combinaciones lógicas, cuando recibe un estímulo este es transformado en información eléctrica que luego es procesada para crear una señal de salida. Dicho de otra forma, este material puede usar fuerzas mecánicas para resolver complejos problemas aritméticos, algo que los investigadores pudieron demostrar. El proceso de “pensar” que este material consigue es similar al nuestro, donde recibimos un estímulo, los nervios lo convierten en señales eléctricas que son procesadas en el cerebro, el cual le indica al cuerpo como debe reaccionar. Esto abre camino a una amplia aplicación del material en sistemas autónomos de búsqueda y rescate, en reparación de estructuras y hasta materiales bio-híbridos capaces de identificar, aislar y neutralizar patógenos aéreos.

Para este logro los investigadores partieron de un trabajo previo sobre un metamaterial similar pero limitado a operaciones lógicas y con entradas y salidas binarias. Ayudados por un documento de 1938 publicado por Claude E. Shannon, Padre de la teoría de la información, donde era descrito una forma de crear circuitos integrados utilizando redes de conmutación mecánico-eléctricas.

Figura 1 – El material traduce una fuerza mecánica a señales eléctricas que producen un resultado computacional.

El siguiente paso según los investigadores es mejorar el material para que este pueda procesar estímulos visuales, o sea, adaptar el material para que este tenga la capacidad de “ver”. El objetivo final es crear un material con capacidades de navegación autónoma, siguiendo señales que lo guíen y con los que pueda evitar obstáculos.

Trung, et al. sugieren un proceso sencillo para producir biocompuestos (nHCB) de nano-hidroxiapatita (nHA) y matriz quitosano (CTS) a partir de esqueletos de tilapia y pez gato y conchas de camarones, desechos de la industria pesquera. El resultado de este proceso es un material altamente poroso que será utilizado como adsorbente para la remoción de colorantes como metileno azul (MB) y metileno naranja (MO), e iones Cu (II) de aguas residuales.

Toda la materia prima fue reducida a polvo, luego el quitosano (0.5g) fue disuelto en una solución de CH3COOH. Se añadió la nHA a la solución y la misma fue agitada por 30 minutos hasta formar una suspensión homogénea. Luego se agrega TPP (Tripolifosfato de sodio) como agente ligante para formar perlitas de hidrogel, y se lava múltiples veces con agua destilada. Finalmente, la muestra es congelada a -80°C para obtener las perlas de aerogel. Así, fueron conformadas 4 muestras de nHCB variando la carga en peso de nHA (entre 0.00, 0.75, 1.00 e 1.25 g) nombradas como nHCB-0 nHCB-2 nHCB-3 nHCB-4 respectivamente, mientras que la carga de CTS se mantuvo a 0.5g.

En cuanto al desempeño de las muestras producidas, se ha visto que la muestra con la mayor carga de nHA se obtiene una mayor área específica, lo que resulta en una mayor adsorción de las partículas deseadas. Sin embargo, arriba de 1.0g de nHA comienzan a reducirse los grupos activos amino del compuesto, lo que empeora la adsorción. El pH es un factor importante también en los compuestos a base de CTS, y las mejores condiciones de operabilidad se dan con un pH entre 5.0 y 6.0.

En conclusión, el artículo celebra la efectividad del compuesto nHCB no solo por su desempeño en la adsorción de colorantes y iones de cobre, sino que también como una forma de reaprovechamiento de los subproductos de la industria pesquera. Adicionalmente el artículo indica que tanto la HA como el CTS son solo dos de varios otros derivados de esta industria que también podrían ser revalidados para otras áreas.

Durante muchos años, los investigadores de materiales han estado trabajando en el desarrollo de una alternativa a los injertos óseos artificiales (o sintéticos). Inicialmente, se utilizaron andamios (matrices porosas) para rellenar el área del defecto. Sin embargo, con el avance de la tecnología, comenzaron a utilizarse como un mecanismo de inducción activa para la regeneración ósea y, por lo tanto, promover la reconstrucción del hueso original. 

Actualmente, los andamios que simulan estructuras óseas porosas pueden fabricarse mediante una variedad de métodos. Los métodos tradicionales incluyen la separación de fases, la lixiviación de partículas, la formación de espuma con gas o la liofilización, que no pueden controlar el tamaño, la forma y el tamaño de los poros. Sin embargo, estas técnicas no producen la estructura precisa de un andamio tridimensional. 

La impresión 3D (fabricación aditiva) muestra una gran capacidad de fabricación de materiales y puede producir el andamio capa por capa de acuerdo con el modelado específico de un archivo CAD (ingeniería asistida por computadora).

En este estudio, nano-HA y PLA con la misma masa (50/50) se fabricaron en andamios compuestos. Se examinaron sistemáticamente la caracterización, las propiedades mecánicas, la biocompatibilidad in vitro y la inducibilidad osteogénica del armazón compuesto y se realizaron más experimentos in vivo en un modelo de defecto femoral de conejo durante 3 meses.

Los resultados muestran que los andamios compuestos PLA/nano-HA tienen buena biocompatibilidad y capacidad de inducción osteogénica, simulando materiales orgánicos e inorgánicos en el tejido óseo, simulando el entorno natural de la matriz ósea y con el potencial de transformación clínica en la reparación de defectos óseos críticos.

Figura 1: Fabricación de composites PLA/n-HA. (a) material PLA/n-HA seco; (b) materias primas de PLA/n-HA molidas; (c y d) filamento compuesto PLA/n-HA; (e) andamios de células compuestas PLA/n-HA impresos en 3D; (f) Reconstrucción por TC de un cilindro compuesto impreso en 3D; y (g) Reconstrucción por TC de bloques impresos en 3D (frontal, diagonal, estructura de panal). Fuente: (WANG, el at. 2021).

Finalmente, el artículo concluye que el material compuesto PLA/nano-HA (50/50) fue producido mediante fabricación aditiva y presentó alta procesabilidad, biocompatibilidad y alta actividad biológica, capaz de inducir el crecimiento óseo in vivo. El material producido mostró un alto potencial para implantes en defectos óseos y puede combinar las ventajas del método de fabricación, además de compensar las deficiencias de cada material. Por lo tanto, presenta un significado prometedor en el área de ingeniería de tejidos y aplicación de biomateriales.

Hoy en día, el carbonato de calcio inducido por microbios (MICP) se utiliza para la estabilización de suelos, la reparación de grietas en el concreto, el sellado de fracturas con aceite, la biorremediación de metales y la mitigación de fugas de dióxido de carbono (CO2). Durante la precipitación inducida por microbios, la actividad metabólica de los microorganismos aumenta el estado de saturación local de la célula bacteriana y promueve la precipitación de carbonato de calcio (CaCO3).

Con una viabilidad a largo plazo mejorada, los microorganismos se pueden utilizar para cultivar materiales de construcción vivos (LBM) con funciones biológicas estructurales. Los LBM requieren dos componentes principales: un scaffold inerte (que proporciona soporte estructural para un componente vivo) y un componente vivo (que usa el scaffold como una función estructural y biológica).

Los microorganismos capaces de precipitar el carbonato de calcio inducido por microbios se pueden utilizar para cultivar materiales de construcción con función autosuficiente.

La viabilidad de Synechococcus en el compuesto de arena e hidrogel fue, en general, mucho mayor que la de otros microorganismos biomineralizantes reportados en otros materiales estructurales. La optimización de las características biológicas y estructurales de los LBM (temperatura, humedad y química del hidrogel) puede extender su uso a aplicaciones más avanzadas. Por ejemplo, los microorganismos pueden detectar y responder a sustancias químicas tóxicas o revelar daños estructurales con fluorescencia.

Figura 1: (1) Los LBM se crean mezclando Synechococcus sp. con células que contienen medio nutricional de calcio, gel y arena. (2) Los LBM se pueden regenerar exponencialmente a partir de un LBM mediante el uso de interruptores de temperatura y humedad. (3) Los LBM ganan integridad estructural a través de la desecación. Después del servicio como material estructural de carga, las LBM se pueden reciclar como una fuente agregada para nuevas LBM. Fuente: (Reveran et al. 2020).

La investigación desarrollada que se muestra en el artículo determinó que los LBM diseñados pudieron mostrar una regeneración exponencial mediante el uso de interruptores ambientales y la precipitación de carbonato de calcio inducido por microbios. La cianobacteria Synechococcus, mineralizó y endureció el gel. En conjunto, el artículo mostró que los resultados obtenidos demuestran nuevas clases de LBM que pueden diseñarse para obtener múltiples funcionalidades biológicas en materiales estructurales.

El desarrollo industrial exige altas tasas de producción, con diferentes escalas. Así, los métodos de fabricación aditiva muestran modalidades que permiten la fabricación desde nanoescala hasta mesoescala, con geometrías simples y complejas.

Entre estos tipos de fabricación aditiva, la microestereolitrografía basada en el procesamiento de luz digital (DLP) aprovecha la fotopolimerización, que convierte los precursores poliméricos en sólidos utilizando proyecciones de luz de alta resolución sobre la superficie de una tinta fotoreticulable. 

El artículo presenta cuatro aspectos críticos de la investigación, a saber: en primer lugar, las microtelas OLED cubren áreas desde microescala hasta macroescala a través de una sola operación de producción (impresión 3D), lo que permite la producción de tejidos a escala humana. Por lo tanto, la fabricación aditiva OLED demuestra resultados significativos en las demandas requeridas para la producción industrial y a gran escala. 

En segundo lugar, OLED es el único modulador de luz digital bidimensional (2D) con una relación de contraste infinita, lo que no es posible con los mecanismos tradicionales. En tercer lugar, las microtelas OLED están disponibles comercialmente. Y finalmente, en el cuarto aspecto, las intensidades de luz de las telas OLED deben ser uniformes. 

Juntos, estos aspectos allanan el camino para dispositivos con aplicaciones que requieren materiales avanzados, especialmente en el área de la ingeniería de tejidos. Uno de los resultados obtenidos fue que la plataforma de fabricación 3D por OLED (tintas de hidrogel a base de luz visible y PEG) podría soportar el crecimiento de células adultas de fibroblastos dérmicos humanos, potenciando el desarrollo en el área de ingeniería de tejidos.

Figura 1: Muestra de sustratos fabricados con tinta de hidrogel que contiene PEG, usando multimateriales. Las barras de escala son de 5 mm. Fuente: (Kowsari et al. 2021).

Con el avance tecnológico de la bioimpresión 3D, el método presentado por el artículo satisfizo algunas de las necesidades observadas por la industria, como el bajo costo con la plataforma OLED, formulaciones de materiales biocompatibles reticulables por luz visible, incitando a nuevas oportunidades para ingeniería de tejidos de alto rendimiento y multimateriales.

Los huesos son órganos complejos cuya función es mantener la estabilidad corporal y ofrecer protección a los órganos internos. Enfermedades y lesiones traumáticas pueden afectar las funciones óseas, por lo tanto, es muy importante tratar de recuperar esas funciones de manera rápida y eficiente. El uso de trasplantes autógenos, que son aquellos extraídos del propio paciente, es el “padrón oro” en términos de recuperación de funciones, a pesar de su baja disponibilidad y riesgo de transmisión de enfermedades limita su uso. En esas condiciones, el desenvolvimiento de injertos sintéticos tiene gran importancia en el desenvolvimiento de tratamientos con desempeños similares a los autógenos sin los riesgos asociados.

Dentro de los tipos de materiales utilizados para la incorporación de iones, están las cerámicas, que tiene como ventaja la gran semejanza de algunos compuestos, como la hidroxiapatita, con los materiales encontrados en los huesos naturales. Como desventaja de estos materiales, está la baja tasa de degradación y reabsorción debido a su alta cristalinidad.

Entre los polímeros más usados para la aplicación biomédica, están los polisacáridos como alginato y proteínas naturales como el colágeno, a pesar de que algunos tipos de polímeros son menos susceptibles a incorporar iones en su composición.

Los metales son más susceptibles a la incorporación de iones, que generalmente son metálicos también, debido a la naturaleza metálica de ambos materiales. Sin embargo, las interacciones entre los iones liberados y el ambiente húmedo en que se encuentran pueden llevar a problemas de corrosión que necesitan ser controlados.

Algunos iones que normalmente son agregados hacen parte de la composición natural de los huesos. Agregar iones de Ca2+, Cu2+, Sr2+, Mg2+, Zn2+, y B3+ en biomateriales, causó una mejoría en la osteogénesis y una mejor regeneración ósea en general. Entre algunos efectos, agregar cobre mejoró la diferenciación ostegénica en estudios in vitro. El cobalto también estimuló la angiogénesis, que es el proceso de formación de vasos sanguíneos, contribuyendo con el proceso de ostegénesis. El silicio mostró efectos significativos en la mineralización ósea y en la osteogénesis. La figura 1 muestra una ilustración de los efectos de los iones en las diferentes fases de la osteoblastogénesis y osteoclastogénesis.

Figura 1 - Ilustración esquemática de los efectos de los iones en las diferentes fases da osteoblastogénesis y osteoclastogénesis. Fuente: (BOSCH-RUÉ, DIEZ-TERCERO, et al., 2021)

En general, diferentes iones muestran diversos efectos en el proceso de la ostegénesis y los recientes desarrollos de materiales biomédicos que incorporan estos iones mostraron un gran potencial para estimular la regeneración de tejidos óseos, a pesar de que es necesario desarrollar mecanismos para efectuar una liberación controlada y bajo demanda de estos iones.

Los materiales piezoeléctricos pueden producir carga eléctrica a partir de una tensión mecánica. Esta propiedad es muy solicitada en piezas cerámicas altamente compactas y geométricamente complejas por su estabilidad mecánica y amplio campo de aplicación debido a su alto efecto de acoplamiento electromecánico, propiedades mecánicas estables y bajo costo. 

Un grupo de científicos en vez de utilizar la impresión 3D para realizarlo debido a que es imposible imprimir cuerpos verdes cerámicos geométricamente complejos en un alto volumen de componentes cerámicos y una buena compacidad, también porque es difícil que la pieza tenga una geometría compleja y un alto rendimiento piezoeléctrico al mismo tiempo. Por lo tanto, utilizaron el proceso de sinterización por gravedad (GDS) para poder lograrlo.

Como mostrado na figura 1, el proceso GDS consiste en colocar un compacto verde prensado de polvos precursores de titanato zirconato de plomo (PZT) en dos plataformas de soporte de alúmina que poseen baja expansión térmica y alta conductividad térmica, para una mejor estabilidad térmica. Al inicio del proceso de sinterización hay un equilibrio de fuerzas, pero con el calor el cuerpo sólido pasa a ser casi líquido, por lo que luego ocurre cierta deformación provocada por la fuerza de gravedad, estableciéndose un nuevo equilibrio de fuerzas. Al final del proceso se puede obtener un cuerpo curvado mecánicamente estable.

Figura 1: Esquema del proceso de síntesis de GDS. Fuente: SHAN, Y. et al. 2021.

La estrategia GDS es una ruta universal y fácil para fabricar piezocerámicas curvas y otras cerámicas funcionales sin comprometer sus funcionalidades, así como su uso para producción a gran escala.

Revisiones sistemáticas son producciones científicas de gran importancia, especialmente en el área de la salud, como herramientas que auxilian en la toma de decisiones basadas en evidencias. Para producir este tipo de revisión es necesario conducir una búsqueda exhaustiva para intentar identificar todos los artículos relevantes que luego de localizarlos serán asimilados por medio de análisis estadísticos. El alcance del proceso de búsqueda ha sido visto como un factor clave en la prevención de sesgos y para proporcionar una visión de las investigaciones disponibles.

Al desarrollar una estrategia de búsqueda, son usadas herramientas para enlistar los términos por los conceptos principales en la pregunta de búsqueda. La herramienta PICO (Population - população, Intervention - intervención, Control - control y Outcome - desfecho) es una de las más usadas juntamente con su variante, PICOS (Donde la S significa Study type - tipo de estudio). Hay también otra herramienta de búsqueda emergente que se llama SPIDER (Sample - amostra, Phenomenon of interest - fenómeno de interés, Design, Evaluation - evaluación, Research type - tipo de búsqueda).

Fue hecho una prueba entre las tres herramientas en una búsqueda para identificar las experiencias de la salud de personas con esclerosis múltiple. Los términos de búsqueda idénticos fueron usados en las herramientas de búsqueda PICO, PICOS y SPIDER, y comparados en las bases de datos Ovid MEDLINE, Ovid EMBASE e EBSCO CINAHL Plus.

Los resultados mostraron más resultados en la herramienta PICO mientras que la herramienta SPIDER generó muchos menos artículos para ser evaluados, a pesar de que la herramienta SPIDER no encontró cinco artículos considerados relevantes para la búsqueda que fue encontrada con PICO, La herramienta PICOS generó menos resultados que PICO y más que SPIDER, a pesar de que no consiguieron encontrar más resultados relevantes que la herramienta SPIDER.

Los autores del artículo recomendaron el uso de PICO para efectuar una búsqueda más exhaustiva y la herramienta PICOS cuando es necesario ahorrar tiempo y recursos. También fue concluido que la herramienta SPIDER es prometedora debido a su alta especificidad, a pesar de que hay un riesgo de no encontrar algunos artículos relevantes al usarla.

Las máquinas permitieron una mayor productividad en diferentes sectores de la industria y los científicos siempre intentan reducir el tamaño para una mejor eficiencia y reducción de costo. Científicos inspirados en esto, desarrollaron metamáquinas, que son máquinas hechas de máquinas, estas micromáquinas pueden autoensamblarse a partir de ciertos estímulos.

Fueron desarrolladas estas metamáquinas reconfigurables a partir de coloides activos a través de la manipulación óptica, pero con cierta limitación. Estas se obtienen al combinar algunas resinas e hidrogeles para formar diversas formas, como es mostrado en la figura arriba (WU, 2021).

Este estudio abre un camino para el progreso del autoensamblaje en microescala y en materiales que cambian de forma a través de máquinas hechas de máquinas.

La hidroxiapatita ha sido blanco de muchos estudios debido a su excepcional bioactividad, osteoconductibidad y estructura cristalina similar a la fase mineral de los huesos naturales. A pesar de que uno de los problemas presentes es el aparecimiento de bacterias en el local del implante que son uno de los mayores causadores de fallas de los mismos. Con eso, los autores propusieron la producción de implantes scaffolds de hidroxiapatita con la introducción de iones de zinc para obtener acción antibacteriana y analizar su desempeño biológico y mecánico.

Los métodos para la producción de hidroxiapatita son mostrados en la Figura 1. Para producir muestras dopadas fue hecha una substitución de Ca(NO3)2∙6H2O por Zn(NO3)2.6H2O

Los ensayos in vitro de implantes scaffolds fueron hechos con la inmersión de muestras en fluido corporal simulado (SBF) de 3 hasta 7 días y luego de eso, las muestras fueron retiradas y analizadas por un microscopio electrónico de barrido (MEB), mostradas en la Figura 2, para observar su morfología superficial, encontraron una estructura porosa y con el aparecimiento de una capa de apatita que proporciona un mejor ambiente para el desarrollo de tejidos.

Los ensayos de la actividad antibacteriana fueron conducidos con la inmersión de muestras en cultivos de Escherichia coli y Staphylococcus aureus durante 7 días con posterior secado y fijación de las bacterias presentes en la superficie con formaldehído. Los ensayos demostraron que las muestras de dopaje con zinc no mostraban zonas con inhibición de crecimiento de bacterias mientras que las muestras dopadas mostraron esas zonas, los autores explican que ese efecto puede ser causado por cambios en la superficie de la capa de apatita que destruye las membranas celulares de los microorganismos.

Fue posible producir con suceso implantes scaffolds de hidroxiapatita dopadas con zinc usando la técnica de precipitación química que mostró una estructura porosa en el análisis de MEB y demostraron que la acción antibacteriana contra la Escherichia coli e Staphylococcus aureus.