El equipo ha creado materiales con una estructura interna en forma de capas que guía la distribución celular y puede adaptarse a diferentes aplicaciones de ingeniería de tejidos
Un equipo de investigadores de la Universidad de Granada ha desarrollado un nuevo tipo de hidrogel magnético con una estructura interna organizada en forma de capas o láminas que permite controlar dónde se sitúan las células y cómo se orientan en el interior del material. El avance supone un paso importante hacia la creación de andamiajes artificiales que reproduzcan mejor la organización en tejidos vivos como músculos, tendones o cartílagos.
El trabajo, titulado Engineering Layered Magnetic Hydrogels for Cell Placement via Shear and Magnetic Field-Induced Assembly, y publicado en la prestigiosa revista Advanced Materials, ha sido realizado íntegramente en el Laboratorio Singular en Tecnologías Avanzadas F2N2Lab de la Universidad de Granada por Guillermo Camacho Villar, Jose R. Morillas, Jesús García-Gutiérrez, Stefania Nardecchia, Óscar Martínez-Cano y Juan de Vicente Álvarez-Manzaneda, investigadores del grupo Magnetic Soft Matter del Departamento de Física Aplicada.
El Laboratorio Singular en Tecnologías Avanzadas F2N2Lab es una infraestructura de la Universidad de Granada especializada en investigación avanzada y dotada de equipamiento científico que ha permitido combinar técnicas experimentales, análisis de imagen, simulaciones computacionales y ensayos celulares dentro de un mismo proyecto.
Los hidrogeles son materiales blandos con un alto contenido en agua que se utilizan con frecuencia en investigación biomédica porque imitan algunas características del entorno natural de las células. Sin embargo, muchos de los hidrogeles empleados actualmente presentan una estructura interna uniforme, muy distinta de la compleja organización que existe en los tejidos del cuerpo humano, donde la posición y orientación de las células desempeñan un papel fundamental en su funcionamiento.
Para superar esta limitación, recurriendo a lo que los investigadores califican como “una idea sencilla pero potente”, han incorporado partículas magnéticas a una matriz polimérica biocompatible. Antes de que el hidrogel termine de formarse, esas partículas se organizan mediante la aplicación de campos magnéticos y estímulos mecánicos externos. Cuando el material se solidifica, la estructura creada queda fijada en su interior y sirve como guía para las células.
Una de las principales aportaciones de la investigación ha sido demostrar que existen dos formas distintas de generar estas arquitecturas internas en capas. En una de ellas, las partículas magnéticas se organizan mediante campos magnéticos variables aplicados sobre una muestra en reposo. En la otra, se combinan un campo magnético y un flujo mecánico que reorganiza las partículas antes de que el material gelifique. Aunque ambos métodos producen estructuras similares, el estudio demuestra que los mecanismos físicos que las originan son diferentes.
Esta comparación ha permitido comprender mejor cómo se forman estas configuraciones y determinar qué condiciones favorecen la aparición de cadenas de partículas, capas discontinuas o láminas continuas. Según los investigadores, este conocimiento convierte el proceso en una auténtica herramienta de diseño, ya que permite escoger la arquitectura interna más adecuada para cada aplicación.
“La aportación principal del trabajo es que mostramos dos rutas físicas diferentes para generar arquitecturas laminares dentro de hidrogeles, y que esas arquitecturas pueden utilizarse para controlar dónde se sitúan las células y cómo se orientan”, explica Guillermo Camacho Villar, investigador del estudio.
Otro de los resultados destacados es que la separación entre las capas internas del material puede ajustarse modificando determinadas características del sistema, especialmente el espesor de la muestra. De esta forma, los investigadores han conseguido crear estructuras con espacios de diferentes tamaños, desde decenas hasta cientos de micras, una escala compatible con la organización colectiva de células en entornos tridimensionales.
Para evaluar el potencial biomédico de estos materiales, el equipo incorporó fibroblastos, células presentes en numerosos tejidos del organismo. Los ensayos mostraron que las células se localizan preferentemente en los espacios situados entre las capas de partículas magnéticas, mantienen una viabilidad superior al 95% durante al menos siete días de cultivo y tienden a alinearse siguiendo la orientación de la arquitectura interna del hidrogel.
Los resultados indican que esta estructura puede actuar como una guía física capaz de influir en la organización celular. En ingeniería de tejidos, este aspecto resulta especialmente importante porque no basta con mantener las células vivas: también es necesario controlar su posición, orientación e interacción para reproducir de forma más fiel el comportamiento de un tejido real.
“En muchos tejidos, la función depende de la arquitectura. Por eso es importante disponer de métodos que permitan introducir orden interno en materiales blandos sin recurrir necesariamente a moldes complejos o a procesos de fabricación capa a capa”, señala Juan de Vicente Álvarez-Manzaneda, catedrático del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Granada.
Además de sus posibles aplicaciones en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa, la estrategia desarrollada podría contribuir al diseño de materiales bioactivos, actuadores blandos y otros sistemas cuya respuesta mecánica o funcional dependa de una estructura interna programable.
La investigación también aporta una base física para comprender cómo se forman estas arquitecturas bajo diferentes condiciones experimentales. Los autores destacan que conocer los parámetros que conducen a estructuras más simples o más complejas facilitará el diseño de materiales adaptados a necesidades concretas en ámbitos biomédicos y tecnológicos.