Inspiración de las púas de un puercoespín

Cualquiera que tenga la mala suerte de encontrarse con las púas de un puercoespín sabe que una vez que entran, son extremadamente difíciles de quitar. Investigadores del MIT y del Brigham and Women’s Hospital ahora esperan explotar las propiedades únicas de la pluma de puercoespín para desarrollar nuevos tipos de adhesivos, agujas y otros dispositivos médicos.


En un nuevo estudio, los investigadores caracterizaron, por primera vez, las fuerzas necesarias para que las púas entren y salgan de la piel. También crearon dispositivos artificiales con las mismas características mecánicas que las púas, lo que aumenta la posibilidad de diseñar agujas menos dolorosas o adhesivos que pueden unir los tejidos internos de manera más segura.

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Existe una gran necesidad de tales adhesivos, especialmente para los pacientes que se han sometido a una cirugía de bypass gástrico u otros tipos de cirugía gástrica o intestinal, según los investigadores. Estas incisiones quirúrgicas ahora están selladas con suturas o grapas, que pueden tener fugas y causar complicaciones.

'Con más investigación, los biomateriales modelados a partir de púas de puercoespín podrían proporcionar una nueva clase de materiales adhesivos', dice Robert Langer, profesor del Instituto David H. Koch en el MIT y autor principal del estudio, que aparece esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Jeffrey Karp, profesor asociado de medicina en la Escuela de Medicina de Harvard y codirector del Centro de Terapéutica Regenerativa del Hospital Brigham and Women, también es autor principal del artículo. El autor principal es Woo Kyung Cho, un postdoctorado en la División de Ciencias y Tecnología de la Salud (HST) de Harvard-MIT.

Tomando prestado de la naturaleza




Aparte de los puntos y las suturas, los médicos a veces usan pegamento de grado médico para unir el tejido, dice Karp. Sin embargo, esos pegamentos pueden ser tóxicos o provocar una respuesta inflamatoria.

Para crear adhesivos que funcionen en el cuerpo sin producir reacciones adversas, el equipo de investigación recurrió a la naturaleza en busca de inspiración. “Creemos que la evolución es el mejor solucionador de problemas”, dice Karp.

En este caso, se interesaron por el puercoespín norteamericano, que tiene unas 30.000 púas de púas para defenderse de los depredadores. Cada pluma tiene varios centímetros de largo; los cuatro milímetros en la punta están cubiertos de púas microscópicas.

Esta imagen de microscopio fluorescente muestra las púas diminutas que recubren la punta de las púas de un puercoespín. Imagen: Woo Kyung Cho


Para su sorpresa, los investigadores encontraron que a pesar de la dificultad de quitar las púas, requieren muy poca fuerza para penetrar el tejido. En comparación con las púas sin púas, las púas con púas requieren aproximadamente un 50 por ciento menos de fuerza para penetrar el tejido muscular.

Luego, el equipo se dispuso a determinar cómo las púas logran esta combinación única de fácil penetración y difícil extracción. “Al comprender el mecanismo, podemos diseñar un sistema artificial de la manera correcta”, dice Cho.

Descubrieron que las pequeñas púas al final de la pluma son la clave tanto para la facilidad de penetración como para la resistencia a la extracción. Mientras la pluma entra en el tejido, las púas actúan para localizar las fuerzas de penetración, lo que les permite rasgar las fibras del tejido con mucha más facilidad, al igual que un cuchillo dentado corta la piel del tomate de forma mucho más limpia que un cuchillo de filo recto.

Cuando se trata de la fuerza requerida para la extracción, las púas actúan como anclas que evitan que la pluma se salga. La fuerza necesaria para sacar las púas con púas es cuatro veces mayor que la necesaria para quitar las púas sin púas.


Hacia nuevos adhesivos

El descubrimiento de que las púas de púas requieren tan poca fuerza para penetrar la piel es inesperado y fascinante, dice Michael Longaker, profesor de cirugía en la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford. Los dispositivos que imitan las púas podrían ser muy útiles para asegurar el tejido durante y después de la cirugía, dice. “Esa combinación de 'fácil de entrar' y 'difícil de sacar' sería realmente atractiva”, dice Longaker, que no formaba parte del equipo de investigación.

Para explorar la posibilidad de fabricar adhesivos más fuertes, los investigadores crearon un parche con una serie de púas de púas en un lado. Descubrieron que la energía necesaria para quitar este parche era 30 veces mayor que la necesaria para un parche de control, que tenía púas pero no púas.

El sistema también podría ajustarse para que penetre fácilmente en el tejido, pero no sea tan difícil de quitar como una pluma de puercoespín, lo que permite el diseño de agujas para inyecciones menos dolorosas. 'Si aún puede crear las concentraciones de estrés pero sin tener una púa que atrape el tejido al retirarlo, potencialmente podría crear algo con una simple inserción, sin la adhesión', dice James Ankrum, estudiante de posgrado en HST y autor del artículo. .

Langer y Karp introdujeron el concepto de vendajes médicos inspirados en los gecos en 2008; sin embargo, “estos requieren un pegamento reactivo para adherirse a los tejidos húmedos, mientras que los adhesivos inspirados en púas de puercoespín se adhieren a los tejidos maravillosamente sin requerir el uso de química reactiva”, dice Karp. “Son extremadamente versátiles y potencialmente universales en su aplicación”.

Otros autores del artículo son Dagang Guo, científico visitante de la Escuela de Medicina de Harvard; Shawn Chester, estudiante de posgrado del MIT; Seung Yun Yang, postdoctorado en el Hospital Brigham and Women; Anurag Kashyap, Georgina Campbell, Ram Rijal, asistentes de investigación en el Brigham and Women’s Hospital; Robert Wood, profesor asociado de ingeniería en Harvard; y Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT.

Los investigadores ahora están trabajando en la fabricación de adhesivos inspirados en plumas a partir de materiales biodegradables, que podrían descomponerse dentro del cuerpo después de que ya no sean necesarios.

Vía MIT News