Biomateriales fibrosos para aplicaciones médicas

 Por: Dra. Graciela Elizabeth Morales Balado.

Departamento de Síntesis de Polímeros del Centro de

Investigación en Química Aplicada.

En la actualidad existe un interés creciente en desarrollar alternativas médicas que permitan ofrecer una amplia variedad de opciones para distintas patologías. Específicamente, en el campo de la regeneración de tejidos se están realizando esfuerzos en atender problemas de enfermedades crónico-degenerativas como lo es la úlcera del pie diabético, una complicación crónica de las personas que sufren de diabetes mellitus, el cual es un problema de interés nacional.1 Así mismo, surge la necesidad clínica de tratar con eficacia enfermedades como la osteogénesis imperfecta, la osteoartritis, la osteomielitis, la osteoporosis, lesiones traumáticas y cirugías ortopédicas, lo que han producido un impacto clínico y económico asombroso en los tratamientos de defectos óseos. Razón por la cual, el aumento en la demanda de implantes óseos ha ido incrementándose exponencialmente, hasta convertirse en el segundo tejido de mayor requerimiento de implantes. 2,3 Además, la necesidad de sistemas inteligentes de liberación controlada de fármaco para el tratamiento del cáncer se hace cada vez más evidente a nivel mundial.4

En esta búsqueda creciente de alternativas médicas, el uso de biomateriales ha sido un factor clave. Un biomaterial puede ser definido como un material destinado a interactuar con un sistema biológico para realizar una acción específica de regeneración o reemplazo de un tejido, órgano o función del cuerpo.5 El requisito esencial para calificar un material como un biomaterial es la biocompatibilidad, la cual es la habilidad de un material para desarrollar con un huésped apropiado, una respuesta específica a una aplicación sin causar un efecto adverso.

En las pasadas dos décadas del siglo XX surgió la importancia de usar biomateriales biodegradables (degradables hidrolíticamente o enzimáticamente) para aplicaciones médicas. La tendencia actual predice que diferentes dispositivos protésicos usados para aplicaciones terapéuticas temporales serán reemplazados por dispositivos biodegradables que podrían ayudar al cuerpo a reparar y regenerar un tejido dañado;6 evitando de esta manera realizar una segunda operación para remover el dispositivo del cuerpo.

Las fibras poliméricas han jugado un papel importante para el desarrollo de materiales biomédicos. La disposición de fibras en una estructura tridimensional permite el diseño de materiales fibrosos con gran área superficial e interconectividad entre poros (espacios interfibrilares). Estas características facilitan la adhesión y migración celular así como la transferencia de las sustancias vitales para la proliferación de las células7; lo que ha motivado el uso de estos materiales en el área de la ingeniería de tejidos8,9. Entre los polímeros sintéticos de mayor importancia para el desarrollo de andamios se encuentran los poliésteres, debido principalmente a su biodegradabilidad, biocompatibilidad y fácil procesado; destacándose, la poli(ɛ-caprolactona) (PCL), poli(ácido láctico) (PLA), poli(ácido glicólico) (PLG) y poli(ácido láctico-co-glicólico).7

Los biomateriales fibrosos en aplicaciones biomédicas han sido usados como soportes de liberación de agentes terapéuticos o fármacos, materiales de curación de heridas y como andamios porosos para la regeneración de varios tejidos tales como la piel, vasos sanguíneos, nervios, tendones, hueso y cartílago. Estos materiales poseen propiedades novedosas asociadas con su alta relación superficie/masa, entre las cuales destacan su baja densidad, alta porosidad, tamaño de poro variable y excepcionales propiedades mecánicas. En la actualidad, se han desarrollado diferentes investigaciones relacionadas con el diseño de materiales fibrosos híbridos basados en polímeros biocompatibles y/o biodegradables con una amplia variedad de nanopartículas cerámicas, óxidos metálicos y metálicas para aplicaciones antibacterianas y/o de regeneración de tejido. Adicionalmente, se han planteado diseños innovadores en el área de liberación controlada de fármacos, más específicamente dirigidos al tratamiento contra el cáncer. 10

Entre las diferentes técnicas de fabricación de fibras poliméricas, el electrohilado es la más ampliamente usada; el cual consiste en un proceso que utiliza la fuerza electrostática (fuente de alto voltaje) para la producción de fibras. Sin embargo, existe en el mercado una técnica de producción de fibras poliméricas de reciente creación patentada por los doctores Lozano y Sarkar de la Universidad de Texas Río Grande Valley (UTRGV) que ofrece ventajas significativas sobre el electrohilado. Dicha técnica, denominada Forcespinning®, se basa en la elaboración de fibras mediante fuerza centrífuga. Esta técnica, tiene la versatilidad de usar como medio precursor de las fibras, aparte del polímero en solución, el polímero en fundido. Por otro lado, no requiere el uso de altos voltajes, por lo que el costo energético es mucho menor. Una de las ventajas más relevante es la alta tasa de producción de materiales fibrosos, pudiéndose obtener materiales de dimensiones considerables en tan solo unos cuantos minutos (50-100 g/hora). Este conjunto de características cataloga al Forcespinning® como una tecnología sustentable y un medio para alcanzar el uso masivo de materiales poliméricos fibrosos en diversas áreas.11,12

Aprovechando los atributos del Forcespinning®, se han realizado diversas investigaciones relacionadas con el diseño de biomateriales fibrosos, reportándose resultados promisorios para el área biomédica. En este sentido, se ha generado un interés creciente en el uso de tecnología alternativas, como el Forcespinning®, para la fabricación de materiales novedosos a base de fibras poliméricas.

A través de la colaboración directa de la Dra. Karen Lozano de la UTRGV, el Dr. Daniel Grande del Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est, y el Dr. Gustavo Abraham del Instituto de Investigación de Ciencia y Tecnología de Materiales, INTEMA de Mar del Plata, Argentina, nuestro grupo de investigación en CIQA se encuentra desde hace varios años incursionando en el diseño de biomateriales fibrosos híbridos a base de biopoliésteres y polímeros acrílicos, dirigidos al área de regeneración de tejidos (apósitos y andamios para la curación de heridas, regeneración de piel quemada y regeneración de tejido óseo, respectivamente) y materiales fibrosos acrílicos diseñados para la liberación controlada de fármacos específicamente para tratar el cáncer. Los resultados de estas investigaciones nos han motivado a seguir indagando en la búsqueda y mejoramiento de biomateriales que pudieran tener en un futuro no muy lejano, un gran potencial como alternativa médica.

Finalmente, como comunidad científica nos compete enfocarnos en la búsqueda de soluciones a problemas que le atañe a la sociedad. La multidisciplinariedad, nos permite romper las fronteras que nos sesga la mirada a un problema real que requiere ser atendido la brevedad posible y de manera asequible por la población en general.

Referencias:

1. Federación Mexicana de Diábetes. Available at: http://fmdiabetes.org/estadisticas-en-mexico/. (Accessed: 30th March 2020)
2. Porter, J. R., Ruckh, T. T. & Popat, K. C. Bone tissue engineering: A review in bone biomimetics and drug delivery strategies. Biotechnol. Prog. 25, 1539–1560 (2009).
3. Oryan, A., Alidadi, S., Moshiri, A. & Maffulli, N. Bone regenerative medicine: Classic options, novel strategies, and future directions. J. Orthop. Surg. Res. 9, 1–27 (2014).
4. Instituto Nacional del Cáncer. Available at: https://www.cancer.gov/espanol/cancer/naturaleza/estadisticas. (Accessed: 30th March 2020)
5. Williams, D. F. The Williams dictionary of biomaterials. (Liverpool University Press, 1999).
6. Nair, L. S. & Laurencin, C. T. Biodegradable polymers as biomaterials. Prog. Polym. Sci. 32, 762–798 (2007).
7. Khakestani, M., Jafari, S. H., Zahedi, P., Bagheri, R. & Hajiaghaee, R. Physical, morphological, and biological studies on PLA/nHA composite nanofibrous webs containing Equisetum arvense herbal extract for bone tissue engineering. J. Appl. Polym. Sci. 134, 1–10 (2017).
8. Jun, I., Han, H. S., Edwards, J. R. & Jeon, H. Electrospun fibrous scaffolds for tissue engineering: Viewpoints on architecture and fabrication. Int. J. Mol. Sci. 19, (2018).
9. Bhattarai, D. P., Aguilar, L. E., Park, C. H. & Kim, C. S. A review on properties of natural and synthetic based electrospun fibrous materials for bone tissue engineering. Membranes (Basel). 8, (2018).
10. Chen, S., Batra, S. K., Li, X. & Xie, I. Emerging Roles of Electrospun Nanofibers in Cancer Research. adv Heal. Mater 7, 1–39 (2019).
11. Sarkar, K. et al. Electrospinning to Forcespinning. Materialstoday 13, 13–15 (2010).
12. Zhang, X. & Lu, Y. Centrifugal Spinning: An Alternative Approach to Fabricate Nanofibers at High Speed and Low Cost. Polym. Rev. 54, 677–701 (2014).
13. Lloyd, A. Interfacial bioengineering to enhance surface biocompatibility. Med Device Technol 13, 18–21 (2002).