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(noticias nanowerk) La naturaleza tiene un talento incomparable para producir materiales a través de una arquitectura molecular precisa: la intrincada maquinaria proteica que impulsa el metabolismo y la replicación revela líneas de ensamblaje perfeccionadas a lo largo de eones de evolución. A pesar de los notables avances, los químicos todavía luchan por lograr la precisión y complejidad incluso de la biomolécula más simple. Sin embargo, los avances recientes se acercan cada vez más al desarrollo de materiales sintéticos personalizados desde el nivel molecular.
Los nuevos métodos de polimerización permiten un control sin precedentes para determinar propiedades a través de secuencias diseñadas a lo largo de las cadenas principales de polímeros, pero las aplicaciones de tales macromoléculas definidas por secuencias siguen limitadas a áreas específicas como el cifrado de datos.
Nueva investigación publicada en Pequeño (“Ingeniería macromolecular: de tintas macromoleculares precisas a microestructuras impresas en 3D”) es pionero en el control de secuencias en un paradigma de fabricación transformador: la microimpresión 3D aditiva.
![Ingeniería macromolecular con tintas](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64269_1.jpg)
A través del diseño molecular racional, el equipo de investigación de la Universidad de Heidelberg y el Instituto Max Planck de Investigación Médica desarrollaron materiales de secuencia definida como tintas imprimibles en 3D y resolución de impresión programada, mecánica y límites de fabricación a partir del posicionamiento del monómero a lo largo de la estructura primaria. Este dominio molecular abre un enorme potencial para la construcción 3D de dispositivos especializados, desde vehículos de administración de fármacos específicos hasta estructuras de crecimiento celular marcadas o incluso componentes de circuitos moleculares. Como ha demostrado la naturaleza, el orden codifica la función.
Esta nueva investigación combina macromoléculas de secuencia definida con microimpresión 3D para allanar el camino para una nueva generación de materiales estructurados complejos.
La impresión láser de dos fotones (2PLP) permite la producción de estructuras 3D a microescala, como la microóptica o la microrobótica. Sin embargo, las tintas acrílicas tradicionales carecen de definición molecular. Esta investigación investiga la manipulación de secuencias macromoleculares para alterar sistemáticamente la capacidad y las propiedades de la impresión 3D.
Los investigadores sintetizaron tres oligómeros únicos de ocho unidades con composición idéntica pero diferente ubicación de las unidades fotoreticulables y no funcionales. Los oligómeros contenían grupos alternantes reticulables/no funcionales, un motivo tribloque reticulable delimitado por unidades no funcionales o un bloque no funcional que agrupaba grupos reticulables.
Después de formular las tintas, el equipo imprimió en 3D intrincadas estructuras de «buckyball», analizando la resolución de impresión en diferentes parámetros del láser. Sorprendentemente, el oligómero alterno ofreció la ventana de impresión más amplia antes de que ocurrieran defectos, requirió la menor intensidad de luz y, aún así, logró la mayor integridad mecánica de las tres tintas.
![2PLP imprimió estructuras de buckyball en 3D utilizando tintas alternas (azul), tribloque (roja) y oligómeros de bloque (gris).](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64269_2.jpg)
Mediante el seguimiento espectroscópico durante la impresión, los investigadores pudieron atribuir el rendimiento mejorado a diferencias relacionadas con la secuencia en la cinética de entrecruzamiento y la topología de la red. El posicionamiento de enlace cruzado alteró las tasas y capacidades de respuesta local. Bloquea el posicionamiento de grupos reactivos concentrados, lo que da como resultado una conversión rápida manteniendo propiedades mecánicas bajas, posiblemente a través de bucles intramoleculares que dejan cadenas colgantes. Colocación alterna de grupos distribuidos para la formación gradual de redes homogéneas y sin defectos, maximizando la mecánica. La presión tribloque estaba en el medio.
Debido a la diferente proximidad de las redes, también cambiaron los requisitos de estabilidad de la presión. El oligómero de bloque, a pesar de tener la conversión más alta, requirió intensidades de luz mucho más altas para imprimir sin colapsar, lo que sugiere debilidad local debido a una topología no uniforme. La secuencia puede programar directamente el rendimiento de la impresión a través del desarrollo de red programado.
Utilizando un exquisito controlador basado en secuencias para dictar el comportamiento de impresión, los investigadores demostraron la microimpresión de aves, mamíferos y plantas de estructura compleja con las tres tintas. El oligómero alterno logró la mejor resolución y salientes. Los fotoiniciadores recientemente desarrollados prometen capacidades aún mayores.
![Imágenes SEM de microestructuras 3D impresas con 2PLP](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64269_3.jpg)
Esta investigación innovadora ilumina cómo la ingeniería molecular de secuencia definida puede desbloquear un inmenso potencial para la impresión 3D de materiales personalizados. Simplemente manipulando la posición de las unidades foto-reticulables a lo largo de una columna vertebral de oligómero, los investigadores programaron diferencias dramáticas en la resolución de impresión, ventanas de fabricación, mecánica y topología de las impresiones terminadas. El estudio proporciona un marco y comprensión a nivel molecular para traducir la síntesis de precisión en impresiones 3D que puedan competir con las construcciones biológicas.
Las posibilidades para desarrollar tintas imprimibles en 3D personalizadas mediante el diseño de secuencias son amplias y fascinantes. Más allá de elegir la resistencia mecánica, la flexibilidad y la dinámica más allá del posicionamiento del monómero, también se podrían diseñar impresiones especializadas desde el nivel molecular hacia arriba: vasos liberadores de fármacos con cinética de liberación codificada, factores de crecimiento para promover la migración celular dirigida, pilas conductoras para registrar señales neuronales o andamios etiquetados Utilizan los poderes de las células madre durante la división.
Estas arquitecturas impresas en 3D, precisas y multifuncionales, podrían acelerar la fabricación de dispositivos, desde prótesis hasta laboratorios en un chip y electrónica biointegrada. Así como las proteínas de la naturaleza logran una maravillosa diversidad y precisión de función a través de la secuenciación programada de aminoácidos, este avance promete una nueva era en la que la secuenciación de macromoléculas desarrolladas por humanos finalmente podría lograr tales maravillas.
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