Aplicaciones innovadoras de hidrogeles supramoleculares

La química supramolecular es considerada una de las áreas importantes relacionadas con los hidrogeles que, al formar redes entrecruzadas, les proporciona la afinidad y la dinámica subyacentes para controlar los factores clave de su estabilidad mecánica, además de ofrecer la capacidad de proteger y controlar la liberación de agentes terapéuticos.

En la construcción de una red de hidrogeles supramoleculares se necesita una molécula o macromolécula gelificante para formar enlaces dinámicos intermoleculares no covalentes, como los enlaces de hidrógeno, y las coordinaciones metal-ligando, además de las interacciones electrostáticas e hidrofóbicas.

En este artículo exploraremos temas relacionados con los hidrogeles para aplicaciones adhesivas,  los sistemas de hidrogeles autorreparables, hidrogeles eléctricamente conductores, a hidrogeles metalo-supramoleculares, y las estrategias que nuestro grupo de investigación sigue en aras del soporte de fármacos contra el cáncer en sistemas metal-orgánicos hermanados con los sistemas supramoleculares.

El grupo de investigación del Centro de Investigación de Química Aplicada, CIQA, está involucrado en la explotación de las propiedades químicas y físicas de materiales novedosos como los marcos metálicos orgánicos (MOF) que, combinados con técnicas de fabricación de nanotecnología como el electrohilado, pueden integrarse en una plataforma de biodetección basada en papel para el aislamiento, la preconcentración y extracción de tamoxifeno (un compuesto para el tratamiento de cáncer de mama), y los metabolitos N-desmetiltamoxifeno, 4-hidroxi-tamoxifeno y endoxifeno en plasma sanguíneo humano.

Este nanocompuesto debe cumplir los criterios ASSURED (asequible, sensible, específico, fácil de usar, rápido y robusto, sin equipos y entregable a los usuarios finales) propuestos por la OMS para evitar el uso de metodologías costosas y complejas. Esto sería el preámbulo para bosquejar el uso de hidrogeles supramoleculares para la adsorción del tamoxifeno u otros compuestos relacionados con el cáncer.

En ese tema, la Figura 1 (a) ilustra la ruta metabólica de los analitos tamoxifeno, N-desmetiltamoxifeno, endoxifeno y 4-hidroxitamoxifeno. El ancho de las flechas en esa imagen indica el grado de metabolismo de un compuesto a otro. Esta representación visual subraya las complejas vías metabólicas de estos compuestos.

En la Figura 1 (b) y (d) se representa el ensamblaje molecular de las redes metal-orgánicas de cobre (II)-benceno-1,3,5-tricarboxilato (CuBTC) (las esferas amarillas y naranja representan poros en CuBTC) y Zeolitic Imidazole Framework (ZIF-8) (también conocido por BasolitaZ1200), comenzando desde sus componentes moleculares básicos, el centro metálico y los enlaces orgánicos para formar la unidad de construcción secundaria (SBU), que luego se ensambla en la estructura más intrincada del MOF.

Esta ilustración paso a paso ayuda a comprender la compleja estructura de CuBTC a nivel molecular. La Figura 1 (c) se centra en la estructura de la cadena polimérica de poliacrilonitrilo (PAN) que actúa como matriz polimérica.

Hidrogeles adhesivos

Gracias a su dinamismo en cuanto a funcionalidad avanzada, una ventaja clave de reemplazar los puntos quirúrgicos con un adhesivo radica en el hecho de que cubre toda la herida como un continuo; contrariamente, los materiales de sutura convencionales, como puntos, grapas o alambres, no son las opciones ideales para lograr cirugías mínimamente invasivas.

Además de resultar económico, otras ventajas de pegar el tejido incluyen el ahorro de tiempo de cirugía, el no tener que quitar los puntos, y ser impermeable [1].

El adhesivo diseñado, además de cumplir con las propiedades mecánicas del tejido, debe ser biocompatible y no inmunogénico, desarrollar adhesión durante periodos de tiempo específicos, adherirse fuertemente y, en algunos casos, la adherencia debe comportarse de manera reversible.

El diseño de adhesivos basados en hidrogeles se complica ya que la mayor parte de su volumen es agua y, en condiciones fisiológicas, los grupos funcionales necesarios deben tener adherencia permanente con uniones covalentes fuertes y duraderas [2,3].

Hidrogeles autorreparables

La especificidad de los hidrogeles para la autorreparación se debe a sus propiedades reversibles tras ser sometidos a estrés y a la naturaleza de sus enlaces físicos. Un ejemplo clásico es un hidrogel estructurado con ácido hialurónico junto con el galol al presentar la carga espontánea de aproximadamente 93 % de una solución de proteínas con una concentración de 270 ug/mL en solución salina de pH 7.4 [4].

Una explicación indica que las propiedades eléctricas y mecánicas de un hidrogel autocurativo sensorizado iónicamente, que a temperatura ambiente puede sufrir deformaciones de hasta el 454 %, presenta estabilidad durante largos periodos, y una biocompatibilidad y biodegradabilidad formidables. El hidrogel está basado en glicerol y se puede imprimir en 3D para crear redes de sensores personalizables.

Los enlaces de coordinación tienen utilidad para construir polímeros autorreparables y, debido a la presencia de ligandos metálicos, poseen diversas funciones, tales como materiales dieléctricos, luminiscencia, magnetismo, catálisis, capacidad de respuesta a estímulos y comportamiento de memoria de forma.

Hidrogeles eléctricamente conductores

Se estudian ampliamente sensores bioquímicos versátiles que utilizan hidrogeles convencionales basados en carbohidratos, polímeros, ADN y péptidos. Un ejemplo ilustrativo es el uso de un hidrogel 3D basado en diacrilato de polietilenglicol mediante el uso del péptido amiloide beta 42 (Aβ42) para la detección del antígeno prostático específico (PSA).

Toda comunicación celular ocurre a través de señales eléctricas, que impactan en mecanismos críticos y en la funcionalidad de los tejidos biológicos. Este principio se abordó en la ingeniería de tejido del músculo esquelético (SMTE) para fabricar tejido muscular bioartificial in vitro para ayudar y acelerar el proceso de regeneración mediante hidrogeles eléctricamente conductores como plataformas de ingeniería establecidas que pueden garantizar un microambiente similar a un tejido.

Hidrogeles metalo-supramoleculares

Las redes de polímeros metalo-supramoleculares (MSPN) son objeto de estudio para detallar ciertas funciones biomiméticas, como la autocuración y la capacidad de respuesta a estímulos. Un buen ejemplo es el uso de la histidina, un α-aminoácido de gran importancia en la función enzimática. Contiene un grupo α-amino capaz de ser protonado en condiciones biológicas y un ácido carboxílico, además de contener un grupo imidazol.

Dependiendo de las condiciones de pH, la histidina puede tener la viabilidad de formar compuestos con varios iones de metales de transición y dar forma a varias geometrías de coordinación. Ejemplos de ello son los sitios activos bioinorgánicos de las cupredoxinas.

Oportunidades futuras

Las principales estrategias sintéticas y aplicaciones funcionales recientes de la química supramolecular basada en hidrogeles y sus derivados son un gran tema en la jerarquía de materiales, que experimenta un crecimiento explosivo.

Con la creciente comprensión fundamental de la capacidad de los hidrogeles para mejorar nuestra vida diaria, se han analizado exhaustivamente las interacciones entre analitos y estructuras metal-orgánicas en el contexto de los efectos de los disolventes, la precipitación de proteínas y las características macroscópicas. Nuestros hallazgos subrayan la intrincada interacción entre factores moleculares y macroscópicos para determinar, inclusive, la eficiencia de la retención y elución de analitos.