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Desarrollo de nanotecnología de la Universidad de Tel Aviv para permitir que el cuerpo produzca corriente eléctrica “saludable”

Desarrollo de nanotecnología de la Universidad de Tel Aviv para permitir que el cuerpo produzca corriente eléctrica “saludable”

Foto: Prof. Ehud Gazit

Un nuevo desarrollo de nanotecnología realizado por un equipo de investigación internacional liderado por investigadores de la Universidad de Tel Aviv permitirá generar corrientes eléctricas y voltaje dentro del cuerpo humano a través de la activación de varios órganos (fuerza mecánica). Los investigadores explican que el desarrollo involucra un material biológico nuevo y muy fuerte, similar al colágeno, que no es tóxico y no daña los tejidos del cuerpo. Los investigadores creen que esta nueva nanotecnología tiene muchas aplicaciones potenciales en medicina, incluida la recolección de energía limpia para operar dispositivos implantados en el cuerpo (como marcapasos) a través de los movimientos naturales del cuerpo, eliminando la necesidad de baterías.

El estudio fue dirigido por el profesor Ehud Gazit de la Escuela Shmunis de Biomedicina e Investigación del Cáncer de la Facultad de Ciencias de la Vida de Wise, el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería de Fleischman y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología, junto con su equipo de laboratorio, el Dr. Santu Bera y el Dr. Wei Ji.

También participaron en el estudio investigadores del Instituto Weizmann y varios institutos de investigación en Irlanda, China y Australia. Como resultado de sus hallazgos, los investigadores recibieron dos subvenciones ERC-POC destinadas a utilizar la investigación científica de la subvención ERC que Gazit había ganado previamente para tecnología aplicada. La investigación se publicó en la prestigiosa revista Nature Communications.

El Prof. Gazit, quien también es Director Fundador del Centro Blavatnik para el Descubrimiento de Drogas, explica: “El colágeno es la proteína más prevalente en el cuerpo humano y constituye aproximadamente el 30% de todas las proteínas en nuestro cuerpo. Es un material biológico con una estructura helicoidal y una variedad de propiedades físicas importantes, como resistencia mecánica y flexibilidad, que son útiles en muchas aplicaciones. Sin embargo, debido a que la molécula de colágeno en sí es grande y compleja, los investigadores han estado buscando durante mucho tiempo una molécula minimalista, corta y simple que se base en el colágeno y exhiba propiedades similares”.

“Hace aproximadamente un año y medio, en la revista Nature Materials, nuestro grupo publicó un estudio en el que usamos medios nanotecnológicos para diseñar un nuevo material biológico que cumpla con estos requisitos. Es un tripéptido, una molécula muy corta llamada Hyp-Phe-Phe que consta de solo tres aminoácidos, capaz de un proceso simple de autoensamblaje para formar una estructura helicoidal similar al colágeno que es flexible y cuenta con una fuerza similar a la del titanio metálico. En el presente estudio, buscamos examinar si el nuevo material que desarrollamos tiene otra característica que caracteriza al colágeno: la piezoelectricidad. La piezoelectricidad es la capacidad de un material para generar corrientes eléctricas y voltaje como resultado de la aplicación de fuerza mecánica, o viceversa, para crear una fuerza mecánica como resultado de la exposición a un campo eléctrico”, dijo el Prof.

En el estudio, los investigadores crearon estructuras nanométricas del material diseñado y, con la ayuda de herramientas avanzadas de nanotecnología, aplicaron presión mecánica sobre ellas. El experimento reveló que el material sí produce corrientes eléctricas y voltaje como resultado de la presión. Además, las estructuras diminutas de solo cientos de nanómetros demostraron uno de los niveles más altos de capacidad piezoeléctrica jamás descubiertos, comparable o superior al de los materiales piezoeléctricos que se encuentran comúnmente en el mercado actual (la mayoría de los cuales contienen plomo y por lo tanto no son adecuados para aplicaciones médicas).

Según los investigadores, el descubrimiento de piezoelectricidad de esta magnitud en un material nanométrico es de gran importancia, ya que demuestra la capacidad del material diseñado para servir como una especie de motor minúsculo para dispositivos muy pequeños. A continuación, los investigadores planean aplicar métodos de cristalografía y mecánica cuántica computacional (teoría funcional de la densidad) para obtener una comprensión profunda del comportamiento piezoeléctrico del material y, por lo tanto, permitir la ingeniería precisa de cristales para la construcción de dispositivos biomédicos.

El profesor Gazit añade: “La mayoría de los materiales piezoeléctricos que conocemos hoy en día son materiales tóxicos a base de plomo o polímeros, lo que significa que no son respetuosos con el medio ambiente ni con el cuerpo humano. Nuestro nuevo material, sin embargo, es completamente biológico y, por lo tanto, adecuado para usos dentro del cuerpo. Por ejemplo, un dispositivo fabricado con este material puede reemplazar una batería que suministra energía a implantes como marcapasos, aunque debe reemplazarse de vez en cuando. Los movimientos corporales, como los latidos del corazón, los movimientos de la mandíbula, los movimientos intestinales o cualquier otro movimiento que ocurra en el cuerpo con regularidad, cargarán el dispositivo con electricidad, lo que activará continuamente el implante”.

Ahora, como parte de su investigación continua, los investigadores buscan comprender los mecanismos moleculares del material diseñado para realizar su inmenso potencial y convertir este descubrimiento científico en tecnología aplicada. En esta etapa, la atención se centra en el desarrollo de dispositivos médicos, pero el profesor Gazit enfatiza que “los materiales piezoeléctricos amigables con el medio ambiente, como el que hemos desarrollado, tienen un enorme potencial en una amplia gama de áreas porque producen energía verde utilizando fuerza que se está utilizando de todos modos. Por ejemplo, un automóvil que circula por la calle puede encender las luces de la calle. Estos materiales también pueden reemplazar a los materiales piezoeléctricos que contienen plomo que se utilizan actualmente de forma generalizada, pero que generan preocupaciones sobre la fuga de metales tóxicos al medio ambiente”.

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