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Introducción
La
ingeniería de tejidos constituye una disciplina relativamente nueva y un
campo de investigación y desarrollo interdisciplinario que aplica los
conocimientos de la bioingeniería, ciencias de la vida, química física y
biología, para resolver problemas clínicos y quirúrgicos asociados a la
pérdida de tejidos o al fallo funcional de órganos.
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Las especies normalmente implicadas en la ingeniería de tejidos son
células vivas, así como sus componentes extracelulares que participan
en el desarrollo de dispositivos que permitan y estimulen o favorezcan
la reparación o restauración de un órgano o tejido dañado. La idea de
utilización de sustitutos de componentes o tejidos biológicos para
reparar o reemplazar elmentos dañados es tan antigua como la historia
misma.
La gran mayoría de los andamios desarrollados para aplicaciones
en el campo de la Ingeniería de Tejidos está constituida por
estructuras elaboradas a partir de materiales poliméricos.
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Los polímeros sintéticos bioabsorbibles con capacidad de
degradarse gracias a reacciones de hidrólisis en condiciones fisiológicas
dentro del cuerpo, y eliminarse completamente por vías metabólicas son los
materiales más atractivos para la elaboración de andamios en Ingeniería de
Tejidos. Los andamios elaborados a partir de este tipo de polímeros
ofrecen la posibilidad de crear tejidos completamente naturales dejando de
lado los problemas de infección y formación de tejido fibroso, asociados a
los implantes permanentes.
Características
Lo ideal sería obtener un biopolímero:
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biocompatible |
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no presente ningún tipo de reacción biológica adversa |
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reabsorbible |
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que
se degrade de forma paulatina a medida que se forma el nuevo
tejido, transfiriendo así las cargas de forma progresiva. |
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productos de degradación fácilmente eliminables y no-tóxicos. |
De la hístoria a la actualidad: materiales utilizados
Durante los años 60 y 70, tuvo lugar la primera generación de
biomateriales. En este período de tiempo, la meta era obtener materiales
cuyas propiedades físicas se adaptaran lo mejor posible a las del tejido a
reemplazar, y que reaccionaran mínimamente con el tejido circundante, es
decir, materiales inertes. A partir de los años 80, surge una segunda
generación de biomateriales. Esta vez, el objetivo era crear materiales
que indujeran una reacción controlada por parte del tejido vivo, es decir,
materiales bioactivos como los vidrios bioactivos de silicio y la
hidroxiapatita. Durante esta segunda generación, también tienen lugar los
materiales bioabsorbibles, como los polímeros biodegradables
principalmente .
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Actualmente nos encontramos en la tercera generación de
biomateriales. Los materiales diseñados en esta generación, buscan
interactuar con el tejido de forma específica, mediante estímulos a
nivel celular y molecular, y combinan las propiedades de
bioabsorbabilidad y bioactividad dentro del mismo material. Por lo que
cada vez, los criterios se van acercando más a lo que sería el
biomaterial ideal. La ingeniería de tejidos es una de la áreas con más
potencial dentro de la
medicina regenerativa. La
utilización de esta |
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metodología implicaría la disminución de muchos de los problemas
relacionados con otras técnicas como lo son: intervenciones costosas y
dolorosas para la extracción del tejido en el caso de los autoinjertos;
la disponibilidad de donantes y las reacciones de rechazo, en el caso
de los aloinjertos, y el riesgo de transmisión de enfermedades
infecciosas en el caso de los xenoinjertos. |
La ingenería de tejidos se basa en la utilización de
biomateriales con las características mencionadas para los materiales de
tercera generación, es decir, bioactivos y bioabsorbibles, y capaces de
estimular la respuesta celular y molecular de forma controlada, para que
actuen como soportes temporales en la reparación de defectos óseos. Dentro
de esta área existen dos tendencias principalmente, la primera consiste en
el desarrollo de andamios tridimensionales acelulares, que servirán para
alojar las diferentes células una vez implantados in vivo. La
segunda tendencia consiste en el desarrollo de andamios tridimensionales,
que inicialmente son colonizados por las células progenitoras bajo
condiciones in vitro, y luego son implantados en el paciente para
reemplazar el tejido dañado.
Figura 1.Esquema
ilustrativo de una de las tendencias en ingeniería de tejidos
Por ejemplo en el caso del tejido óseo, los materiales más
utilizados en la actualidad para el desarrollo de las estructuras
tridimensionales, son las hidroxiapatita, los poly (-hidroxi ácidos), y
algunos polímeros de origen natural como el colágeno o la quitina. En
muchos casos las superficies de los materiales son modificadas con
diferentes proteínas y factores de crecimiento que estimulan la respuesta
celular, y activan los genes responsables de la diferenciación y
mineralización del tejido .
A pesar de que actualmente existen diferentes polímeros
biodegradables para el desarrollo de estos andamios (ver figura 2), el PLA,
el PGA y sus copolímeros, continúan siendo los más populares y de mayor
uso.
Figura 2. Polímeros
sintéticos biodegradables, utilizados en ingeniería de tejidos
Obtención de estructuras polímericas porosas
Las estructuras poliméricas porosas pueden ser
obtenidas a través de numerosos métodos. Cada técnica de elaboración le
confiere al andamio final características estructurales diferentes, por lo
que es muy importante elegir la técnica correcta según la aplicación final
del andamio. Algunas de las técnicas utilizadas hoy en día para la
fabricación de andamios porosos se encuentran resumidas en la figura 3, a
continuación se describen las más utilizadas.
Figura 3.Técnicas de
elaboración de andamios poliméricos para ingeniería de tejidos
1) Gel Casting
Este método consiste en disolver el polímero en un solvente
orgánico como la acetona. La solución polimérica es colocada en un molde
hasta alcanzar consistencia de gel. Seguidamente el gel es procesado
mediante diferentes concentraciones de acetona, etanol y agua para así
obtener una estructura microporosa.
2) Disolución y colada
con liberación de partículas
En este método, se incorpora a la solución polimérica una
proporción determinada de partículas minerales (cloruro de sodio) (16) u
orgánicas (sacarosa). La mezcla es luego colada en un molde donde el
solvente se evapora o puede ser procesada por “freeze-drying”. Una vez
evaporado el solvente, las partículas son disueltas en agua dejando a su
paso los diferentes poros. Con esta técnica se pueden conseguir
porcentajes de porosidad bastante elevados. El tamaño de los poros
dependerá de las partículas utilizadas.
3) Laminación de
membranas
Es similar a la técnica conocida como “laminated object
manufacturing (LOM)” usada en el rapid prototyping. Consiste en la
utilización de diferentes films porosos generalmente obtenidos a partir de
la técnica de disolución y colada con liberación de partículas, y
colocados uno sobre otro unidos con la ayuda de la impregnación con
cloroformo en la superficie, para obtener estructuras tridimensionales de
forma compleja.
4) Separación de fases
El polímero se disuelve en un solvente como el dioxano a una
temperatura baja. La separación líquido-líquido y luego sólido-líquido es
inducida al bajar la temperatura de la solución. Subsecuentemente se
elimina el solvente solidificado por medio de la sublimación del mismo
dejando así el andamio polimérico. La concentración del polímero y la
estrategia de enfriamiento juegan un papel fundamental en la morfología
final de los poros (8).
5) Saturación con gas
Para esto se utilizan especimenes poliméricos sólidos previamente
prensados, los cuales son expuestos a altas presiones (800 psi) de CO2
permitiendo así la saturación del polímero con el gas. Se crea una
inestabilidad termodinámica al reducir la presión del gas a niveles
ambientales Esto conlleva la nucleación y expansión del CO2 disuelto,
generando así macroporos. La mayor ventaja de este proceso es que no
utiliza solventes orgánicos. La mayor desventaja es que el producto final
es poco poroso en la superficie y además permanece un cierto porcentaje de
porosidad cerrada en el interior del material. Para solucionar estos
problemas se está utilizando esta técnica en combinación con partículas
solubles en agua.
6) Liofilización
Esta técnica es similar a la separación de fases, consiste en
liofilizar soluciones congeladas del polímero con ácido acético glacial o
benceno. La morfología de las esponjas depende notablemente del polímero y
del solvente. Por ejemplo el benceno induce una estructura de tipo
capilar, mientras que el ácido acético produce una estructura de tipo
librillo.
7) Unión de fibras
Consiste en la elaboración de redes interconectadas mediante la
unión de fibras (13;14). Para esto se utilizan dos polímeros diferentes
como el PLA y el PGA.
Las fibras del PGA son alineadas con la forma final de la
estructura deseada, y son embebidas en una solución de PLA/cloruro de
metileno. Después de la evaporación del solvente, los polímeros son
calentados por encima de su temperatura de fusión.
Finalmente el PLA es disuelto en cloruro de metileno, dejando las
fibras de PGA unidas de forma tal que forman una estructura porosa. Esto
se puede conseguir ya que el PGA es insoluble en el cloruro de metileno.
Dada la especificidad del solvente, del par de polímeros y de sus
temperaturas de fusión, ésta técnica es de difícil aplicación con otros
polímeros.
En general, casi todas esta técnicas pueden ser utilizadas no
sólo para elaborar esponjas poliméricas, sino también para generar
materiales compuestos porosos. Para esto, se añaden las partículas o
fibras de la fase de refuerzo (fosfato de calcio) en la fase inicial de la
elaboración de las estructuras.
Existen tres razones principalmente por las que la adición de una
fase inorgánica en una matriz polimérica resulta interesante en un
substrato para Ingeniería de Tejidos:
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La incorporación de esta segunda fase modifica el comportamiento
mecánico del material, así como la integridad estructural del andamio. |
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La bioactividad del polímero aumenta debido a la incorporación de
una fase bioactiva. |
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La introducción de la fase inorgánica podría modificar de forma
positiva el patrón de degradación del polímero. |
En la figura 4 se encuentran tabulados algunos de los compuestos
para Ingeniería de Tejidos elaborados hasta este momento. Se puede
observar que la mayoría de estos compuestos contienen TCP(fosfato
tricalcico), HA(hidroxiapatito) o vidrio de silicio bioactivo como fase de
refuerzo o bioactiva; sin embargo, en ninguno se utilizan vidrios de
fosfato de calcio.
Figura 4. Algunos de
los materiales compuestos para ingeniería de tejidos, desarrollados hasta
el momento
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LOS
POLÍMEROS
