Materiais inteligentes ou avançados que podem memorizar uma forma temporária e se transformar em resposta a um estímulo podem revolucionar a medicina e a robótica. Em um novo estudo agora em Avanços da Ciência , Luai R. Khoury e uma equipe de pesquisa do departamento de física da University of Wisconsin-Miluwaukee U.S. introduziram uma abordagem inovadora para programar hidrogéis de proteína e induzir mudanças de forma à temperatura ambiente em soluções aquosas. A equipe demonstrou sua abordagem usando hidrogéis feitos de albumina sérica, a proteína mais abundante no plasma sanguíneo. Os cientistas sintetizaram a proteína em forma de cilindro ou flor e programaram os géis em forma de mola ou anel. Eles realizaram a programação alterando a rigidez do material induzindo a adsorção de Zinco (Zn ²⁺ ) ou cobre (Cu ²⁺ ) cátions. Os biomateriais programados podem voltar à sua forma original à medida que os cátions se difundem para fora do material de hidrogel. O método é uma estratégia inovadora para programar hidrogéis à base de proteínas para atuar potencialmente como atuadores robóticos.

Biomateriais dinâmicos com mudanças conformacionais podem facilitar estruturas de tecidos artificiais para transformação morfológica e robótica suave, a fim de reagir e mudar em resposta ao seu ambiente. Os materiais de transformação de forma mais comuns são baseados em polímeros que requerem a alternância entre uma fase rígida e uma fase suave. Esses materiais geralmente dependem de dois ou mais esqueletos de rede que compartilham o mesmo espaço tridimensional (3-D) ou mantêm uma resposta química a pequenos íons. A programação é definida como a capacidade de fixar uma forma temporária em um material e o processo requer um aumento reversível na rigidez. A recuperação da forma inicial pode mudar de uma fase rígida para uma fase suave, normalmente realizado pela mudança de temperatura, pH ou foto-comutação para comprometer a integridade da rede secundária.

Khoury et al. introduzido anteriormente um método para formar memória de forma em hidrogéis à base de proteínas, onde as proteínas formaram a rede primária em um ambiente rico em água, endurecendo os hidrogéis com polieletrólitos adsorvidos. Nesta abordagem, a equipe produziu hidrogéis de proteína usando albumina de soro bovino, que é homóloga à albumina do soro humano - a proteína mais abundante do plasma sanguíneo. Eles programaram o hidrogel por enrijecimento induzido por meio de uma rede secundária feita de polieletrólitos carregados positivamente, e estimulou uma mudança de forma, iniciando a resposta de desdobramento dos domínios de proteína em desnaturantes químicos.

A estratégia permitiu a recuperação completa na remoção do desnaturante e esta transição foi altamente repetível, mas a adsorção de polieletrólitos era irreversível e resultou em uma mudança na rigidez. Nesse trabalho, os cientistas usaram cátions divalentes para endurecer os hidrogéis à base de proteínas e os programaram em uma variedade de formas que voltaram à forma original por meio de difusão simples. A equipe de pesquisa explorou a mudança mecânica para induzir o aumento da rigidez e programar biomateriais à base de proteínas em uma variedade de formas. Os hidrogéis à base de proteína recém-programados com pequenos íons formaram um passo importante para a engenharia de biomateriais biocompatíveis com estruturas ajustáveis.

Uma série de reações pode produzir hidrogéis à base de proteínas, incluindo estratégias de reticulação com base em tratamentos com glutaraldeído, reações enzimáticas, ou fotoativação. Khouri et al. usou fotoativação para formar os hidrogéis à base de proteína feitos de BSA, a reação produziu ligações carbono-carbono covalentes. Eles testaram uma gama de concentrações de íons carregados positivamente para aumentar a rigidez dos hidrogéis de proteína para a programação de formas, e mediu a mudança na rigidez usando um aparelho reométrico de pinça de força. A equipe escolheu 2 mM como a concentração inicial para produzir reticulação completa para BSA e os hidrogéis resultantes mostraram comportamento reversível sem deformação plástica. Os hidrogéis BSA mostraram um aumento da rigidez de até 5 vezes quando tratados com Cu ²⁺ e uma rigidez de 17 vezes na presença de Zn ²⁺ ; várias ordens de magnitude maiores do que aquelas relatadas para géis tratados com polieletrólitos, permitindo formas programadas mais complexas. O efeito de enrijecimento dependeu da concentração da solução, onde Zn ²⁺ era mais solúvel em água e, portanto, mais vantajoso do que Cu ²⁺ . Os hidrogéis à base de BSA tiveram uma resistência aumentada e tensão de ruptura devido ao aumento das concentrações de cátions. A tenacidade representou a capacidade do material de adsorver energia e deformar sem fratura. Contudo, A quebra irreversível das ligações covalentes foi um fator limitante para extensões e, portanto, o hidrogel requereu mais refinamento.

Uma vez que a dinâmica de transformação da forma programada para a forma inicial dependia diretamente da difusão do cátion fora do biomaterial, Khoury et al. monitorou o fenômeno usando um hidrogel em forma de U cilíndrico. A forma do hidrogel dependia da quantidade de endurecimento induzida pela dosagem de cátions. Os cientistas obtiveram uma forma temporária combinando ligações cruzadas iônicas e cátions divalentes estáveis ​​no material. Eles então programaram biomateriais fundidos cilíndricamente em forma de mola e materiais fundidos em flores em forma de anel. Os cátions no meio induziram um endurecimento forte o suficiente, seguido pela transformação de um anel em uma forma de flor.

Os hidrogéis à base de polímero por si só têm uma variedade de aplicações em memória de forma e aplicações de transformação de forma, embora não sejam tão estruturalmente diversos quanto as proteínas de ocorrência natural. Nesta nova abordagem, Luai R. Khoury e colegas desenvolveram hidrogéis à base de proteínas para facilitar o melhor dos dois mundos. A abordagem baseou-se no Zn ²⁺ e Cu ²⁺ cátions para induzir o enrijecimento de modo a programar uma forma permanente em uma nova configuração temporária. Eles também tornaram os protocolos do estudo amplamente acessíveis via Bio-protocolo. A difusão dos íons fora do material permitiu que a equipe recuperasse a estrutura original. Eles pretendem usar o Zn ²⁺ predominantemente em trabalhos futuros devido à maior biocompatibilidade em comparação com Cu ²⁺ . A abordagem preservou a funcionalidade das proteínas formando o esqueleto do hidrogel e combinou notavelmente a biodiversidade com capacidade de programação reversível.

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