El estudio liderado por Carlos Sánchez Somolinos, del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, ha obtenido microestructuras inteligentes activas sin precedentes con deformación mecánica bajo demanda, logrando que reaccionen a la temperatura y cambien de forma o ejerzan fuerza de manera controlada

Estas estructuras podrían servir como andamiajes biomiméticos mecánicamente activos, frente a los pasivos utilizados en la actualidad, donde las células en ellos cultivadas sientan las fuerzas cíclicas que experimentan en los tejidos vivos

El investigador aragonés del CSIC Carlos Sánchez Somolinos, del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA), instituto mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza (Unizar), lidera una nueva línea de investigación, pionera a nivel internacional, que combina electro-escritura por fusión de materiales inteligentes para aplicaciones biomédicas y robótica blanda. Los investigadores han usado por primera vez materiales activos sensibles a estímulos, lo que conduce a estructuras biomiméticas activas con funciones mecánicas programadas digitalmente. Los resultados de este estudio se han publicado en la revista científica Advanced Materials y supone un hallazgo pionero que podría servir como base para realizar cultivos celulares que emulan más precisamente a los tejidos vivos.

Fabricadas con materiales adecuados, estas estructuras podrían servir como andamiajes biomiméticos mecánicamente activos, frente a los pasivos utilizados en la actualidad, proporcionando, bajo una estimulación adecuada, un andamiaje en el que las células en él cultivadas sientan las fuerzas cíclicas que experimentan en los tejidos vivos, por ejemplo, el corazón. “Se trata de procurar unas estructuras que emulen la matriz extracelular de la manera más representativa posible, es decir, tridimensionales y dinámicas”, explica Sánchez Somolinos, coautor del artículo junto a Mehrzad Javadzadeh, estudiante de doctorado de Unizar en el INMA, y Jesús del Barrio, profesor de Unizar e investigador en el INMA.

Una técnica pionera a nivel mundial

Esta novedosa plataforma de microfabricación se aplica por primera vez en el mundo a elastómeros cristal líquido, materiales inteligentes que responden mecánicamente a un estímulo externo -en este caso, la temperatura-. La metodología presentada ha permitido depositar digitalmente fibras ultrafinas de elastómero cristal líquido con diámetros de apenas unas micras, frente a las de centenares de micras típicamente obtenidas mediante impresión 3D convencional. Como resultado, se han obtenido microestructuras de estos materiales con dimensiones muy pequeñas que hasta ahora eran inaccesibles con otras técnicas de estructuración. La nueva técnica propuesta supera, de esta manera, todas las metodologías actuales de microfabricación de estos materiales en lo que respecta a su tamaño y control de la orientación molecular, permitiendo obtener microestructuras inteligentes sin precedentes con deformación mecánica bajo demanda. “Este trabajo nos brinda la oportunidad de explorar lo pequeño”, resume Sánchez Somolinos.

Durante el proceso de electro-escritura, el material adquiere una orientación microscópica preferente que es clave para controlar con precisión la magnitud y la dirección de las fuerzas que ejerce luego el material cuando es excitado con temperatura. Las estructuras preparadas con esta nueva plataforma de impresión tienen carácter inteligente, deformándose de manera controlada frente al estímulo externo, y atesoran una notable capacidad para realizar esfuerzos y trabajo mecánico de utilidad potencial en ámbitos como la robótica blanda y la biomedicina.

Actualmente, la técnica de la electro-escritura es empleada por algunos grupos de investigación internacionales en el ámbito de la biomedicina en combinación con materiales biocompatibles pasivos, como la policaprolactona, para preparar andamiajes estáticos para cultivo celular que imitan las características estructurales encontradas en tejidos vivos nativos, como el miocardio.

El CSIC, líder internacional en robótica blanda

Esta investigación fortalece la ya destacada posición del CSIC en el campo de los elastómeros cristal líquido para robótica blanda a nivel internacional. Ya en 2017, el Laboratorio de Manufacturación Avanzada del INMA, liderado por Sánchez Somolinos, demostró por primera vez la impresión 4D de estos materiales, una técnica que permite extrudir y depositar fibras del orden de los centenares de micras para fabricar estructuras inteligentes con materiales elastómero cristal líquido. Este trabajo fue la semilla de dos proyectos europeos coordinados por el CSIC, PRIME y STORM-BOTS.

En este sentido, Sánchez Somolinos es también coordinador de ambos. Por un lado, STORM-BOTS tiene como objetivo la formación de 13 jóvenes investigadores (tres de ellos en Aragón) en el área de los materiales para robótica blanda. La incorporación de materiales inteligentes, que responden con un cambio importante de una de sus propiedades físicas en respuesta a un estímulo externo (como el calor, la luz o un campo eléctrico o magnético), constituye en robótica una oportunidad para desarrollar nuevos elementos y dispositivos robóticos blandos disruptivos y puede abrir nuevas posibilidades en términos de diseños, funciones y respuestas, inaccesibles para los robots duros convencionales. Se prevé que los desarrollos en esta área puedan revolucionar los campos de la cirugía mínimamente invasiva, la manipulación de materiales, la piel electrónica y las interfaces persona-máquina.

Por otro lado, PRIME persigue la implementación de dispositivos microfluídicos, chips con microcanales por los que puedan circular fluidos controlados por estos materiales inteligentes que son depositados por impresión 4D. PRIME busca demostrar la viabilidad de esta tecnología que podría permitir hacer análisis químicos de fluidos de una forma rápida, barata y portátil. Sus potenciales aplicaciones incluirían los análisis clínicos, los de aguas o los diagnósticos veterinarios.

Acerca del CSIC

La Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) es la mayor institución pública dedicada a la investigación en España y una de las primeras de Europa. Adscrita al Ministerio de Ciencia e Innovación, su objetivo fundamental es desarrollar y promover investigaciones en beneficio del progreso científico y tecnológico, para lo cual está abierta la colaboración con entidades españolas y extranjeras. El motor de la investigación lo forman sus 123 centros e instituciones, distribuidos por todas las comunidades autónomas, y sus más de 14.000 trabajadores. El CSIC cuenta con el 6% del personal dedicado a la investigación y el desarrollo en España, que genera aproximadamente el 20% de la producción científica nacional. Es responsable del 45% de las patentes solicitadas por el sector público en España y desde 2004 ha creado más de medio centenar de empresas de base tecnológica.

La delegación de CSIC en Aragón ostenta la representación institucional del CSIC en la comunidad, siendo la delegada, María Jesús Lázaro Elorri, la interlocutora del CSIC con las instituciones públicas y privadas de Aragón. En Aragón, el CSIC cuenta con cinco institutos y personal del centro nacional IGME, Instituto Geológico y Minero de España. Los cinco Institutos de nuestra Comunidad son la Estación Experimental de Aula Dei, el Instituto Pirenaico de Ecología y el Instituto de Carboquímica –propios del CSIC– y el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón y el Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea – mixtos del CSIC y de la Universidad de Zaragoza-) que cuentan con más de 550 trabajadores.  En Zaragoza el Instituto Geológico y Minero de España cuenta con una sede.