Materiales magneto-inteligentes para desarrollar músculos artificiales y robots terapéuticos

Parque Científico Universidad Carlos III de Madrid - Leganés Tecnológico

Proyecto 4D-BIOMAP de la UC3M

Desarrollar una nueva generación de músculos artificiales y nano-robots para la administración dirigida de medicamentos son algunos de los objetivos a largo plazo de 4D-BIOMAP, un proyecto ERC de investigación de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M), que desarrolla metodologías de conocimiento transversal bio-magneto-mecánico para simular y gobernar procesos como la migración y proliferación celular, la respuesta electrofisiológica del organismo y el origen y desarrollo de patologías en tejidos blandos.

“La idea global de este proyecto de investigación es llegar a influir a nivel celular sobre distintos procesos biológicos (como la cicatrización de las heridas, las sinapsis cerebrales o las respuestas del sistema nervioso), lo que permitirá desarrollar determinadas aplicaciones ingenieriles que nos permitan controlar los mismos”, explica el responsable de 4D-BIOMAP, Daniel García González, del Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la UC3M.

Los polímeros magneto-activos, como se denominan, están revolucionando los campos de la mecánica de sólidos y de la ciencia de los materiales. Estos compuestos consisten en una matriz polimérica (un elastómero) que contiene partículas magnéticas (de hierro, por ejemplo) que reaccionan mecánicamente y cambian de forma y volumen. “La idea es que con un campo magnético externo se inducen fuerzas internas en este material de manera que se modifican las propiedades mecánicas, como la rigidez, o incluso se producen cambios en la forma y el volumen que pueden interactuar con ciertos sistemas celulares”, explica Daniel García González. Este investigador ha publicado recientemente un artículo científico en la revista Composites Part B: Engineering sobre este tema junto con colegas del Dpto. de Estructuras y del Dpto. de Bioingeniería e Ing. Aeroespacial de la UC3M, en una colaboración transversal en la que proponen un modelo que proporciona una guía teórica para sistemas estructurales magneto-activos que se podrían aplicar para estimular la cicatrización de heridas epiteliales.

La respuesta magneto-mecánica está determinada por las propiedades del material de la matriz polimérica y de las partículas magnéticas. Si se consigue controlar estos procesos, se podrían desarrollar otras aplicaciones ingenieriles, como robots blandos que podrían interaccionar con el cuerpo o una nueva generación de músculos artificiales, señala el investigador, quien recurre a un símil para explicar el potencial de esta tecnología: “Nos imaginamos una persona que está en la playa y que quiere avanzar rápidamente. Sin embargo, la arena del suelo (el entorno mecánico) hace que le cueste un poco más avanzar que si estuviera sobre asfalto o sobre una pista de atletismo. Al igual que en nuestro caso, cuando una célula está sobre un sustrato demasiado blando, le va a costar más desplazarse. En cambio, si somos capaces de modificar estos sustratos y crear esta pista de atletismo para las células, vamos a conseguir que todos estos procesos se desarrollen de una forma mucho más eficiente”.

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 se aborda desde una perspectiva multidisciplinar, involucrando conocimientos de disciplinas como la mecánica de sólidos, el magnetismo y la bioingeniería. Además, se combinarán metodologías computacionales, experimentales y teóricas.

Referencias bibliográficas:

D. Garcia-Gonzalez, M.A. Moreno, L. Valencia, A. Arias, D. Velasco (2021). Influence of elastomeric matrix and particle volume fraction on the mechanical response of magneto-active polymers. Composites Part B: Engineering, Volume 215, 108796. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108796.

D. Garcia-Gonzalez, M. Hossain (2021). A microstructural-based approach to model magneto-viscoelastic materials at finite strains. International Journal of Solids and Structures, 208-209:119-132, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2020.10.028