Nota de aplicación | ElastoSens™ Bio
Hidrogeles de GelMA: propiedades, aplicaciones y comportamiento mecánico
por Maya Salame y Dimitria Camasao
Científicos de aplicaciones
¿Qué es un hidrogel GelMA?
La gelatina metacriloilada (GelMA) es un hidrogel fotocrosslinkable derivado de la gelatina, que a su vez se obtiene mediante la hidrólisis parcial del colágeno, la principal proteína estructural de la matriz extracelular (MEC). El GelMA se sintetiza haciendo reaccionar la gelatina con anhídrido metacrílico, lo que introduce grupos funcionales metacriloilo en los residuos de aminoácidos de la gelatina, conservando al mismo tiempo la mayoría de sus motivos bioactivos nativos. Esta modificación permite la reticulación covalente al exponerlo a la luz, al tiempo que conserva la biocompatibilidad inherente de la gelatina, su degradabilidad enzimática y sus secuencias que interactúan con las células. Gracias a su facilidad de procesamiento en medio acuoso, a las condiciones de reticulación suaves y a su similitud estructural con la MEC nativa, el GelMA se ha convertido en un biomaterial muy utilizado en bioingeniería e investigación biomédica.
Propiedades clave de los hidrogeles de GelMA
Características fisicoquímicas
Los hidrogeles GelMA se forman mediante la polimerización por radicales libres fotoiniciada de los grupos metacriloilo, en presencia de un fotoiniciador soluble en agua y tras la exposición a la luz. Este proceso da lugar a una red reticulada covalentemente en condiciones suaves y compatibles con las células.
Entre las principales características fisicoquímicas se incluyen:
- Mecanismo de reticulación: polimerización radicalaria de los sustituyentes metacriloílicos activada por luz.
- Fórmula ajustable: la concentración de GelMA, el grado de metacrilación, el contenido de fotoiniciador y la dosis de luz regulan la densidad de la red.
- Comportamiento de gelificación dual: gelificación física a baja temperatura a partir de cadenas de gelatina, seguida de una estabilización química mediante reticulación fotoquímica.
- Sensibilidad ambiental: La temperatura, el pH y la fuerza iónica influyen en la viscosidad del prepolímero y en la cinética de gelificación.
Estos parámetros permiten controlar con precisión la estructura, la porosidad y la estabilidad del hidrogel.
Propiedades mecánicas
El comportamiento mecánico de los hidrogeles de GelMA se puede ajustar mucho y está directamente relacionado con la arquitectura de la red y la densidad de reticulación. El módulo de elasticidad y la rigidez aumentan a medida que sube la concentración de polímero y el grado de sustitución metacriloílica. Por el contrario, las redes con una reticulación menos densa muestran una mayor flexibilidad y mayores índices de hinchamiento.
Las características mecánicas son las siguientes:
- Módulos de elasticidad suaves, similares a los de los tejidos, que van desde unos pocos kilopascales hasta decenas de kilopascales.
- La rigidez depende en gran medida de la formulación y de las condiciones de exposición a la luz.
- Ablandamiento mecánico progresivo durante la degradación enzimática, a medida que se remodela la red.
Esta adaptabilidad permite que los hidrogeles de GelMA se ajusten a las propiedades mecánicas de diversos tejidos blandos.
Interacciones biológicas
El GelMA favorece de forma natural las interacciones entre las células y el material gracias a los motivos bioquímicos de la gelatina que conserva. Las secuencias de arginina-glicina-ácido aspártico (RGD) favorecen la adhesión celular, mientras que los dominios sensibles a las metaloproteinasas de la matriz permiten la remodelación mediada por las células.
Entre sus características biológicas se incluyen:
- Alta citocompatibilidad y baja inmunogenicidad.
- Favorece la adhesión, la extensión, la proliferación y la migración celular.
- Degradabilidad enzimática impulsada por proteasas secretadas por las células.
- Compatibilidad con la encapsulación celular durante la fotoreticulación.
Estas propiedades hacen que GelMA sea especialmente adecuado para entornos dinámicos que interactúan con las células.
Aplicaciones de los hidrogeles de GelMA
Ingeniería de tejidos
Los hidrogeles de GelMA se usan mucho como andamios para la ingeniería de tejidos como el cartílago, el hueso, el músculo cardíaco, el músculo vascular y el músculo esquelético. Sus propiedades mecánicas ajustables, su degradabilidad y su bioactividad permiten crear matrices que guían la organización celular, la diferenciación y la maduración de los tejidos.
Cultivos celulares en 3D y modelos de enfermedades
En el cultivo celular tridimensional, el GelMA ofrece un entorno que imita la matriz extracelular (MEC) y que favorece un comportamiento celular fisiológicamente relevante. Se usa mucho en modelos organotípicos, sistemas microfabricados y plataformas «órgano en chip» para estudiar las interacciones célula-matriz, la mecanobiología y la progresión de las enfermedades.
Administración de fármacos, genes y células
Los hidrogeles de GelMA sirven como vectores de administración de fármacos, genes y células terapéuticas. Su estructura reticular controlada permite modular los perfiles de difusión y liberación, mientras que su degradación enzimática permite una liberación localizada y mediada por células de la carga útil.
¿Por qué es importante la viscoelasticidad de los hidrogeles de GelMA?
Los hidrogeles de GelMA muestran un comportamiento viscoelástico que se parece más a los tejidos biológicos naturales que los materiales puramente elásticos. La viscoelasticidad influye en cómo las células perciben y responden a su microentorno, lo que afecta a la adhesión, la migración, la diferenciación y la remodelación de la matriz. Las respuestas mecánicas dependientes del tiempo también determinan la disipación de la carga, la integridad estructural y el rendimiento a largo plazo en entornos biológicos dinámicos. Por eso, entender y controlar las propiedades viscoelásticas es fundamental para predecir el comportamiento in vitro y la funcionalidad in vivo.
Métodos para caracterizar la viscoelasticidad de los hidrogeles de GelMA
Las propiedades mecánicas y viscoelásticas de los hidrogeles de GelMA suelen caracterizarse mediante reometría de volumen, ensayos de compresión y ensayos de tracción. Estas técnicas aportan información valiosa sobre el módulo elástico, los módulos de almacenamiento y de pérdida, y el comportamiento ante la rotura de las redes completamente formadas. Sin embargo, los métodos tradicionales suelen requerir contacto directo, grandes deformaciones o una preparación destructiva de las muestras, y normalmente no permiten captar los rápidos cambios mecánicos que se producen durante la reticulación fotoquímica. Por eso, no son muy adecuados para seguir la cinética de la fotogelificación, identificar el punto de transición líquido-gel o monitorizar el desarrollo mecánico en las primeras etapas en condiciones estériles o con presencia de células.
Caso práctico: Caracterización mecánica del hidrogel GelMA con ElastoSens™ Bio
ElastoSens™ Bio: una herramienta no destructiva para medir hidrogeles blandos de GelMA
El ElastoSens™ Bio permite medir de forma no destructiva y en tiempo real las propiedades viscoelásticas de los hidrogeles GelMA blandos y fotocrosslinkables. Gracias a una excitación de baja amplitud y sin contacto, combinada con un módulo de fotoestimulación integrado, permite monitorizar directamente la cinética de la reticulación fotoquímica, identificar la transición líquido-gel y cuantificar con precisión la rigidez final. Las mediciones repetidas en la misma muestra en condiciones estériles facilitan los estudios longitudinales sobre la formación, maduración, degradación y remodelación inducida por células del GelMA.
Para demostrar las capacidades del ElastoSens™ Bio, hemos hecho una serie de pruebas con hidrogeles a base de GelMA. En la siguiente sección te contamos los materiales y métodos que hemos usado, y luego te mostramos los resultados, lo que te da un ejemplo práctico de cómo este instrumento puede monitorizar de forma no destructiva las propiedades viscoelásticas a lo largo del tiempo.
Materiales y métodos
La gelatina metacrilada (PhotoGel®, 5272; Advanced BioMatrix) se preparó siguiendo las instrucciones del fabricante. El fenil-2,4,6-trimetilbenzoilfosfinato de litio (LAP) se preparó como una solución madre de 17 mg/mL en PBS y se añadió a la formulación de PhotoGel® tal y como indica el fabricante. El PhotoGel® se disolvió en PBS a 60 °C y se preparó en concentraciones del 5 % y del 10 % (p/v). Para cada condición, se introdujeron 2 mL de la solución precursora en el portamuestras ElastoSens™ Bio macro y se inició la medición de inmediato. Las muestras se dejaron equilibrar a 20 °C durante 10 minutos (sin luz). A continuación, se llevó a cabo la reticulación fotoquímica bajo luz de 405 nm con una intensidad de 8 mW/cm² durante 20 minutos, mientras se registraban las mediciones viscoelásticas cada 5 segundos a lo largo de todo el proceso.
Resultados y discusión
Al aumentar la concentración de PhotoGel® del 5 % al 10 % (p/v), el módulo de almacenamiento de cizallamiento final (G′) subió de 5398 ± 106 Pa a 39 437 ± 1251 Pa (***p < 0,001). Al mismo tiempo, la velocidad máxima de gelificación aumentó significativamente a concentraciones más altas, pasando de 23,2 ± 13,3 Pa/s al 5 % a 145,9 ± 24,6 Pa/s al 10 % (**p < 0,01), lo que indica un desarrollo de la red considerablemente más rápido en condiciones de fotocurado idénticas. El tiempo de inicio también se redujo notablemente al aumentar la concentración de PhotoGel®, pasando de 11,35 ± 0,04 min al 5 % a 5,36 ± 0,34 min al 10 % (***p < 0,001), lo que demuestra un inicio más temprano de la gelificación.
La fuerte dependencia de la concentración de G′ refleja el aumento del contenido de polímero y la disponibilidad de grupos fotocrosslinkables. La reducción del tiempo de iniciación y el aumento de la velocidad de gelificación con un 10 % de PhotoGel® indican que unas concentraciones más altas de polímero no solo refuerzan la red final, sino que también aceleran tanto el inicio como el desarrollo de la fotopolimerización. En conjunto, estos resultados demuestran que la concentración de PhotoGel® influye en la cinética de gelificación y en las propiedades mecánicas finales.
Figura 1. Módulo de almacenamiento de cizallamiento final (G′, izquierda), tiempo de inicio (centro, min) y velocidad máxima de gelificación (derecha; Pa/s) comparando PhotoGel® al 5 % y al 10 % (p/v) con curado a 405 nm. Media ± DE (n = 3). **p < 0,01, ***p < 0,001.
Figura 2. PhotoGel® tras la reticulación fotoquímica en el ElastoSens™ Bio.
Conclusiones y perspectivas
El comportamiento mecánico de los hidrogeles GelMA —que depende de la cinética de la reticulación fotoquímica, la densidad de la red y la viscoelasticidad dependiente del tiempo— es un factor clave que determina su rendimiento biológico y funcional. Al tratarse de materiales blandos, hidratados y sensibles a la luz, los sistemas GelMA necesitan métodos de caracterización que capturen la evolución mecánica sin alterar la red ni las condiciones experimentales.
La caracterización viscoelástica no destructiva con el ElastoSens™ Bio te permite:
- Medición precisa y reproducible de la cinética de gelificación del GelMA.
- Identificación en tiempo real de la transición líquido-gel durante la fotoreticulación.
- Cuantificación de la rigidez final en condiciones relevantes para la aplicación.
- Seguimiento a lo largo del tiempo de la misma muestra para evaluar su maduración o degradación.
- Mediciones en condiciones estériles y con control de la luz gracias al módulo de fotoestimulación integrado.
En conjunto, estas capacidades permiten comprender mejor las relaciones entre estructura y propiedades, mejorar la reproducibilidad experimental y lograr una aplicación más fiable de los hidrogeles de GelMA en la biofabricación, la ingeniería de tejidos y las aplicaciones biomédicas.
Referencias
Yue, K., Trujillo-de Santiago, G., Alvarez, M. M., Tamayol, A., Annabi, N., & Khademhosseini, A. (2015). Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials, 73, 254-271.
Bupphathong, S., Quiroz, C., Huang, W., Chung, P. F., Tao, H. Y., & Lin, C. H. (2022). Gelatin methacrylate hydrogel for tissue engineering applications—a review on material modifications. Pharmaceuticals, 15(2), 171.
Das, S., Jegadeesan, J. T., & Basu, B. (2024). Gelatin methacryloyl (GelMA)-based biomaterial inks: process science for 3D/4D printing and current status. Biomacromolecules, 25(4), 2156-2221.
Descubre cómo nuestra tecnología mide de forma no destructiva las propiedades viscoelásticas de los biomateriales blandos y los tejidos utilizando microvolúmenes de muestras
Artículos relacionados
Los hidrogeles de alginato son redes poliméricas tridimensionales con alto contenido en agua que se obtienen del alginato, un polisacárido aniónico de origen natural. El alginato se extrae principalmente de las paredes celulares de las algas pardas de la clase Phaeophyceae, aunque también puede ser biosintetizado por ciertas especies bacterianas como Azotobacter y Pseudomonas. Estructuralmente, el alginato es un copolímero lineal compuesto por ácido β-D-manurónico (unidades M) y ácido α-L-gulurónico (unidades G), unidos mediante enlaces glicosídicos 1→4.
La gelatina metacriloilada (GelMA) es un hidrogel fotocrosslinkable derivado de la gelatina, que a su vez se obtiene mediante la hidrólisis parcial del colágeno, la principal proteína estructural de la matriz extracelular (MEC). El GelMA se sintetiza haciendo reaccionar la gelatina con anhídrido metacrílico, lo que introduce grupos funcionales metacriloilo en los residuos de aminoácidos de la gelatina, al tiempo que conserva la mayor parte de sus motivos bioactivos nativos.
El polimetilmetacrilato (PMMA) es un polímero sintético termoplástico que pertenece a la familia de las resinas acrílicas. Se forma mediante la polimerización por radicales libres de monómeros de metilmetacrilato (MMA), lo que da como resultado un polímero lineal y amorfo con gran transparencia óptica y rigidez estructural. El PMMA se produce íntegramente de forma industrial: el MMA se sintetiza a partir de materias primas petroquímicas y se polimeriza mediante iniciación controlada térmica, química o fotoquímica.
El polidimetilsiloxano (PDMS) es un polímero polisiloxánico sintético compuesto por una cadena principal flexible de siloxano inorgánico (–Si–O–Si–) con grupos laterales metilo. Esta arquitectura inorgánico-orgánica única le da al PDMS una movilidad de cadena excepcional, una temperatura de transición vítrea muy baja y un comportamiento elastomérico estable en un amplio rango de temperaturas. El PDMS se produce exclusivamente mediante síntesis industrial, que suele implicar la hidrólisis y la condensación de clorosilanos, seguidas de la polimerización por apertura de anillo de siloxanos cíclicos.