Por Hamed Hosseinian
Las fibras biomédicas son estructuras ultrafinas que funcionan como “andamios” en el cuerpo humano: ayudan a regenerar tejidos, guiar el crecimiento celular y liberar fármacos de forma controlada.
Se fabrican principalmente por electrohilado; sin embargo, fabricar versiones de alta calidad —especialmente cuando se requiere que estén alineadas— suele implicar equipos especializados, configuraciones complejas y costos elevados. Su desempeño depende de un detalle clave: qué tan ordenadas están. Y lograr ese nivel de control, hasta ahora, ha sido complicado.
¿Y si producir fibras biomédicas altamente alineadas no requiriera equipos costosos ni modificaciones complejas, sino solo un simple pliegue de papel aluminio guiado por un análisis inteligente de datos?
La respuesta puede ser la siguiente: existe una solución simple que puede hacerse con una lámina de aluminio, colocarse y retirarse fácilmente, y que no requiere modificar el sistema de electrohilado.
Resulta que una lámina de aluminio doblada, con una geometría tipo origami, montada sobre un tambor convencional de electrohilado, ha demostrado algo poco habitual en este campo: producir fibras poliméricas altamente alineadas y libres de perlas sin modificar el equipo de laboratorio existente.
El estudio An origami-based technique for simple, effective and inexpensive fabrication of highly aligned far-field electrospun fibers propone un método que combina ciencia de materiales y aprendizaje automático para identificar los parámetros que realmente determinan la calidad de las fibras, y lo hace con una ventaja clara: sustituye configuraciones complejas por una solución práctica, escalable y de bajo costo.
El estudio muestra que para mejorar el resultado no siempre hace falta más tecnología, sino un mejor diseño.
Cambiar el proceso, no la máquina
Cuando las fibras biomédicas se alinean en una sola dirección, mejoran sus propiedades mecánicas y también pueden guiar el crecimiento celular de forma más eficiente. Sin embargo, las técnicas con electrodos paralelos, campos magnéticos, colectores especiales o tratamientos posteriores de estiramiento son costosas, suelen requerir componentes adicionales, limitar el área de recolección o introducir procesos en múltiples etapas. [5-8].
En laboratorios compartidos, donde el equipo debe permanecer versátil, modificar un sistema estándar de electrohilado rara vez es una opción viable. Así que en vez de modificar la maquinaria, se propuso doblar una lámina delgada de aluminio para crear una serie de pliegues regulares que se colocarían sobre un colector de tambor rotatorio convencional.
Estos pliegues —inspirados en estructuras tipo origami— guían la deposición de las fibras y favorecen su alineamiento direccional, sin alterar el sistema original.
Gracias a este diseño, se puede evaluar cuando las fibras se alinean mejor y qué condiciones de fabricación permiten aprovechar al máximo las ventajas del colector tipo origami.
Las fibras se fabricaron a partir de poli(ε-caprolactona) (PCL), un polímero biodegradable ampliamente utilizado en aplicaciones biomédicas. Se realizaron 243 experimentos variando sistemáticamente la concentración del polímero, la tasa de inyección, la distancia entre la aguja y el colector, la velocidad de rotación del tambor y el diámetro de la aguja.
Cada muestra se analizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), mediciones del diámetro de fibra, análisis del ángulo de contacto con agua, Transformada Rápida de Fourier (FFT) y mapeo de intensidad superficial.
Entre todas estas variables, una destacó con claridad.
La variable dominante del experimento
Una vez comprobada la capacidad del diseño origami para guiar la alineación de las fibras, el siguiente paso fue identificar qué variables del proceso tenían mayor influencia sobre la calidad final del material obtenido.
La concentración del polímero —el material con el que se forman las fibras, en este caso poli(ε-caprolactona) (PCL)— es el factor clave. Con una solución al 5%, no se formaron fibras continuas, sino estructuras dispersas. En cambio, al subir a 10% y 15%, se obtuvieron fibras uniformes, sin perlas y claramente más alineadas.
El resto de variables ajusta el resultado. Los diámetros se mantuvieron entre 1.2 y 1.6 micrómetros. Una mayor tasa de inyección produjo fibras más gruesas, mientras que aumentar la distancia aguja-colector redujo su diámetro [9]. La velocidad del tambor tuvo poco efecto en este aspecto.
La superficie también cambia. Las fibras se mantienen hidrofóbicas (115°–129°), pero con mayor inyección se vuelven más densas y repelentes al agua. En cambio, una mayor distancia genera estructuras más porosas, permitiendo que el agua penetre mejor.
Para medir qué tan alineadas estaban las fibras, se utilizó la Transformada Rápida de Fourier (FFT), una herramienta matemática que permite identificar patrones de orientación en estructuras microscópicas. Con este método, las fibras desordenadas aparecen como señales dispersas, mientras que las alineadas generan patrones definidos y consistentes.
Los análisis de superficie confirmaron el resultado: a medida que se optimizaron las condiciones, la orientación de las fibras se volvió más uniforme.
Un paso adicional
El aspecto más innovador del estudio radica en la integración del aprendizaje automático.
Las fibras se clasificaron como de alta calidad si cumplían cuatro criterios: fuerte alineamiento, ausencia de perlas, deposición homogénea y grosor uniforme. Solo 14.8 % de los 243 experimentos cumplió con todos los criterios.
Se aplicaron dos modelos interpretables de aprendizaje automático (regresión logística y árboles de decisión) para identificar qué parámetros predecían con mayor fuerza la obtención de fibras de alta calidad.
Ambos modelos confirmaron que la concentración del polímero fue el factor dominante, seguido por la velocidad de rotación del tambor.
El modelo de regresión logística logró predecir correctamente fibras de alta calidad en el 88% de los casos, muy por encima de lo que se obtendría al azar.
¿Qué muestran los resultados?
Al mirar esos patrones, se entiende mejor qué está pasando: con poca concentración, las fibras no se alinean bien. Con concentraciones intermedias, el resultado mejora, pero solo si el tambor gira lo suficientemente rápido. Es decir, no basta con un solo ajuste, sino con la combinación adecuada.
Otro hallazgo importante está en el propio diseño. La lámina de aluminio doblada, con pliegues regulares, evitó la formación de “perlas”, defectos que afectan la calidad de las fibras. Estos pliegues actúan como guías que ordenan cómo se depositan, sin necesidad de añadir nada al equipo.
En conjunto, los resultados muestran que un simple colector de aluminio plegado puede producir fibras altamente alineadas y libres de defectos utilizando equipos convencionales. Combinado con herramientas de aprendizaje automático para optimizar las condiciones de fabricación, este enfoque ofrece una alternativa accesible y de bajo costo para laboratorios interesados en desarrollar materiales biomédicos de alta calidad.
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Referencia principal
Hosseinian, H., Jimenez-Moreno, M., Sher, M. et al.An origami-based technique for simple, effective, and inexpensive fabrication of highly aligned far-field electrospun fibers. Sci Rep 13, 7083 (2023)
Otras referencias
- Cui, C. et al. Optimizing the chitosan-PCL-based membranes with random/aligned fiber structure for controlled ciprofloxacin delivery and wound healing. Int. J. Biol. Macromol. 205, 500–510 (2022).
- Dewle, A., Pathak, N., Rakshasmare, P., & Srivastava, A.Multifarious fabrication approaches of producing aligned collagen scaffolds for tissue engineering applications. ACS Biomater. Sci. Eng. 6(2), 779–797 (2020).
- Cui, C. et al. Electrospun chitosan nanofibers for wound healing application. Eng. Regen. 2, 82–90 (2021).
- Zhu, L. et al. Aligned PCL fiber conduits immobilized with nerve growth factor gradients enhance and direct sciatic nerve regeneration. Adv. Funct. Mater. 30(39), 2002610 (2020).
- Wang, L., Chang, M.-W., Ahmad, Z., Zheng, H., & Li, J.-S. Mass and controlled fabrication of aligned PVP fibers for matrix-type antibiotic drug delivery systems. Chem. Eng. J. 307, 661–669 (2017).
- Tindell, R. K., Busselle, L., & Holloway, J. Magnetic fields enable precise spatial control of electrospun fiber alignment for fabricating complex gradient materials (2022).
- Jha, B. et al. Two-pole air gap electrospinning: Fabrication of highly aligned, three-dimensional scaffolds for nerve reconstruction. Acta Biomater. 7(1), 203–215 (2011).
- Brennan, D. A. et al. Concurrent collection and post-drawing of individual electrospun polymer nanofibers to enhance macromolecular alignment and mechanical properties. Polymer 103, 243–250 (2016).
- Ghobeira, R. et al. Wide-ranging diameter scale of random and highly aligned PCL fibers electrospun using controlled working parameters. Polymer 157, 19–31 (2018).
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Autor
Hamed Hosseinian es profesor investigador de la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Tec de Monterrey. Es investigador en nanotecnología y bioingeniería, especializado en biología sintética, edición genética y modelos tridimensionales para aplicaciones biomédicas. Desarrolla plataformas experimentales para estudiar sistemas celulares complejos, evaluar estrategias terapéuticas e impulsar la innovación científica y tecnológica.
