LOS POLÍMEROS

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Ingeniería de tejidos

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.

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.

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:

biocompatible

no presente ningún tipo de reacción biológica adversa

reabsorbible

que se degrade de forma paulatina a medida que se forma el nuevo tejido, transfiriendo así las cargas de forma progresiva.

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 .

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

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:

La incorporación de esta segunda fase modifica el comportamiento mecánico del material, así como la integridad estructural del andamio.

La bioactividad del polímero aumenta debido a la incorporación de una fase bioactiva.

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