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Nov 08, 2023

Con un toque de 'Spider'

21 de abril de 2023 Por Dina Weinstein Acerca de Dreamwork, trabajo en equipo: como parte de las Semanas de investigación 2023, esta serie muestra a estudiantes universitarios y sus mentores docentes mientras hablan sobre sus investigaciones y lo que

21 de abril de 2023

Por Dina Weinstein

Acerca de Dreamwork, Team Work: como parte de las Semanas de Investigación 2023, esta serie muestra a estudiantes universitarios y a sus mentores docentes mientras hablan sobre sus investigaciones y lo que han aprendido unos de otros a lo largo del camino.

Caleb Wells, estudiante de último año de la Facultad de Ingeniería de la Virginia Commonwealth University, dedica horas a un proyecto microscópico que tiene una aplicación muy grande: la ingeniería de tejidos.

Piense en la franquicia "Spider-Man", en la que el brazo perdido de un personaje se regenera utilizando ADN de lagarto. La ingeniería de tejidos es un concepto algo similar y se utiliza para crear injertos vasculares para la cirugía de derivación de arterias coronarias. Wells investiga cómo se degradan los diminutos andamios utilizados en el proceso.

“Colocamos células en el andamio y las células se construyen alrededor del andamio. Al igual que al final de un proyecto de construcción, se derriba el andamio”, dijo Wells, estudiante del Departamento de Ingeniería Mecánica y Nuclear. “Este andamio se biodegrada dentro del cuerpo humano. Entonces, en algún momento, lo único que queda son las propias células del huésped. Así que no hay posibilidad de rechazo ni nada por el estilo. Es un reemplazo perfecto”.

Las fibras hechas de un polímero llamado policaprolactona forman el andamio, y Wells se centra en las propiedades de esas fibras. Para probar y establecer una medida de referencia para las fibras, utiliza un microscopio electrónico de barrido que aumenta 3000 veces. Las minúsculas fibras tienen aproximadamente 1 micrómetro de diámetro.

Para producir el andamio, un proceso conocido como electrohilado distribuye el polímero en solución. “En el andamio se obtienen fibras orientadas en todas direcciones, algo así como hacer girar algodón de azúcar alrededor de un tubo de cartón”, dijo Wells. "Lo cual en cierto modo puede ser beneficioso pero también, dependiendo de las propiedades mecánicas que se busquen, no tan beneficioso".

Wells trabaja bajo la dirección de Joao Silva Soares, Ph.D., en su laboratorio de modelado y mecánica multiescala de tejidos de ingeniería (ETM3). Su objetivo es desarrollar enfoques experimentales-computacionales altamente integradores para la ingeniería de tejidos cardiovasculares.

"La estructura de polímero eventualmente necesita degradarse para ser completamente reemplazada por el nuevo tejido que se diseñó", dijo Soares. "Primero estamos tratando de entender cómo diseñar mejor el tejido dentro del biorreactor para luego poder lograr una mejor integración dentro del cuerpo".

Wells conoció a Soares mientras tomaba la clase de Mecánica de Deformables del profesor en el verano de 2021, lo que le dio una ventana a cómo los materiales y las formas se doblan y deforman con sus fuerzas.

Wells también está trabajando en el diseño de dispositivos para realizar pruebas de materiales utilizando probadores de tracción mecánicos uniaxiales y biaxiales. "Esto nos ayuda a determinar cómo las fibras que observamos en el microscopio se ven afectadas con el tiempo utilizando el módulo de elasticidad de Young", dijo. “Si tiro en todas direcciones, puedo observar cómo se ven afectadas las fibras de cada dirección. Puedo jugar con la programación y el diseño eléctrico junto con el funcionamiento de máquinas que ya existen. Ahora estoy empezando a construir máquinas y trabajar en la parte trasera al mismo tiempo”.

Aquí, estudiante y mentor comparten ideas sobre lo que aprendieron trabajando juntos.

¿Qué te atrajo de este proyecto?

Lo que me intrigó fue cómo puedo aplicar la ingeniería mecánica al trabajo biomédico. Mi familia y mis amigos siempre me dijeron que, por mi personalidad, me dedicaría al ámbito biomédico porque me gusta ayudar a la gente. En este laboratorio todavía no estoy trabajando directamente en algo que vaya directamente al cuerpo de alguien. Me pongo a trabajar en el lado mecánico de ese aspecto. Ahora mismo estoy analizando las propiedades mecánicas y materiales de estos andamios. Así que participo en un proyecto más grande que luego contribuye a la solución de un problema en el cuerpo humano. Ser parte de algo que puede marcar la diferencia realmente me emocionó.

¿Qué sacaste de la experiencia?

Una de las mejores cosas de los laboratorios de investigación [experimentales] es que puedes aplicar lo que aprendes en clase a los diferentes proyectos. Fue muy fácil hacerlo con este laboratorio porque acababa de tomar Mecánica de Deformables y Ciencia de Materiales, que influyen directamente en el trabajo que comencé a hacer con las pruebas de materiales. El módulo de elasticidad de Young era un término que acababa de aprender uno o dos semestres antes, por lo que estaba aplicando mi trabajo teórico directamente a experiencias del mundo real, lo que realmente proporciona una base concreta. Muchas cosas encajaron mucho más fácilmente después de que pude hacer eso.

Qué'¿Hay una lección que aprendiste del Dr. Soares?

Lo que siempre percibí como malos resultados o resultados que no probaban mi hipótesis siempre me deprimirían y me harían sentir como si hubiera desperdiciado todo ese experimento. Pero en mi primer verano como becario del Programa de Oportunidades de Investigación de Pregrado, hicimos experimentos a largo plazo, que duraron meses seguidos. Cuando llegaron esos resultados, sentí que eran “malos resultados” y había perdido la mayor parte de mi tiempo, pero aprendí que [no hay] “malos resultados”, según el Dr. Soares. Es posible que no prueben su hipótesis y que ni siquiera respondan la pregunta en la que se basa esa hipótesis, pero plantean más preguntas que lo ayudan a diseñar más experimentos que lo llevarán, eventualmente, a las respuestas que está buscando. A veces responde preguntas que no tienen ninguna relación y que siguen siendo útiles para el público en general o para la investigación científica. Así que mantenerme motivado cuando los resultados no son los que esperaba fue una de las lecciones más importantes que aprendí.

¿Por qué es importante esta investigación? Comprender cómo los polímeros degradables se degradan y se absorben con el tiempo es importante para diseñar mejores implantes biodegradables. La absorción dentro de un cuerpo vivo es un problema muy difícil de predecir, por lo que se necesitan muchos experimentos y prototipos. Hacer experimentos más simples en el laboratorio en condiciones "más fáciles" proporcionará información sobre cómo desarrollar teorías que describan mejor el comportamiento de estos materiales. Estamos particularmente interesados ​​en los andamios de ingeniería de tejidos. Sería deseable que la estructura desapareciera al mismo tiempo que las células producen por sí mismas la matriz extracelular. Además, es importante saber cómo el entorno mecánico (es decir, las cargas y deformaciones a las que están sujetos) contribuye a la tasa de degradación del andamio.¿Cómo ayudó Caleb a avanzar en el proyecto? Caleb ha liderado este proyecto por sí solo durante los últimos dos años, continuando el trabajo de Emily Clement (una estudiante de ingeniería biomédica que se graduó en la primavera de 2021). Ha realizado varios experimentos con las cámaras de degradación que Emily y yo diseñamos y construimos. Además, ha dado grandes pasos para mejorar nuestras instalaciones de electrohilado, dirigió a los trabajadores federales de trabajo y estudio en la fabricación de los andamios y también supervisa a varios otros estudiantes universitarios que realizan pruebas mecánicas de los andamios.Qué'¿Hay una lección que aprendiste de Caleb? De mis estudiantes universitarios como Caleb, aprendo las nuevas formas en que se comportan los jóvenes hoy en día. Tengo suerte de estar rodeado de jóvenes todo el tiempo. Tienen energía. Ven el mundo de maneras nuevas que nosotros no vemos. Caleb comenzará como doctorado. estudiante en el otoño, y es realmente bueno tener la oportunidad de reclutar estudiantes universitarios de VCU como estudiantes de posgrado. Ya ha aprendido mucho sobre nuestros métodos e investigaciones específicos y comenzará a trabajar el próximo otoño.

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