Materiales-híbridos fibrilares en base a polímeros biodegradables

Abstract

El hueso, para su estudio, se puede considerar tanto un tejido como una estructura, ya que desempeña dos funciones básicas: (i) control del metabolismo mineral de Ca, P y Mg (función fisiológica) y, (ii) sostén y protección de órganos (función mecánica). Como el material estructural primario del cuerpo, el mismo debe soportar una variedad de condiciones de carga estáticas y dinámicas; lo cual le es posible debido a la alta complejidad de su estructura altamente organizada. El tejido óseo es un compuesto de fibras de colágeno resistentes, aunque flexibles, reforzadas con nanocristales de fosfato cálcico. Esta estructura compuesta le da una rigidez mucho mayor que el resto de los tejidos mientras que le proporciona una tenacidad a la fractura y resistencia al daño sorprendentemente altas. La complejidad mecánica del tejido óseo, compuesto de hueso cortical y hueso trabecular, ambos con comportamientos mecánicos distintos, supera la de la mayoría de los materiales utilizados en ingeniería y por tal motivo su reemplazo por un material funcional es prácticamente imposible. Las dificultades clínicas que radican en la incapacidad de restaurar, frente a una pérdida de masa, la funcionalidad del tejido óseo mediante la sustitución sumado al deterioro de la micro-arquitectura ósea o pérdidas cualitativas de tejido asociadas a ciertas patologías, motivan la necesidad de investigar el modo de regenerar tejido nativo. El objetivo es guiar la formación de hueso sano necesario y suficiente para cubrir los defectos óseos, así como también brindar un soporte adecuado para alojar las prótesis. La ingeniería de tejido en las últimas décadas se ha convertido en un área de la ciencia que nos despliega una opción para la regeneración ósea en lugar de la sustitución mediante el uso de estructuras tridimensionales (3D) o matrices enriquecidas que pueden proveer de manera autóloga el sistema de reparación y regeneración de hueso a grandes volúmenes: biorreactores óseos. Estos sistemas se han convertido día a día en la opción más considerada y consisten en el acoplamiento y organización de células, andamios y complementos fisiológicos que simulen el ambiente tisular. Con la combinación adecuada de estos factores es posible obtener la respuesta celular adecuada hacia la regeneración funcional de tejido, siendo el andamio la estructura de sostén mecánico de todo el sistema. Considerando lo mencionado, durante el presente trabajo se plantearon los siguientes objetivos específicos con el objetivo general de crear una estructura con potencial aplicación como biorreactor óseo: (1) estudiar la respuesta potencial de regeneración celular ósea ante la presencia de nanorodillos de hidroxiapatita (HA) sintética; componente fundamental de la estructura u andamio a preparar. (2) Determinar las propiedades e interacciones de los nanorodillos de HA con una proteína derivada de la hidrolisis de colágeno (gelatina); la organización de este sistema compuesto será la base estructural del andamio. (3) Construir y caracterizar un andamio basado en los componentes mencionados en la búsqueda del desarrollo de un biorreactor óseo. Para cumplir con los objetivos planteados, en primer lugar, se estudió la viabilidad, proliferación, adhesión y diferenciación en linaje osteogénico de células madre derivadas de tejido adiposo humano cultivadas en presencia de recubrimientos de dos tipos de nanorodillos de hidroxiapatita. Estos aspectos fueron analizados mediante técnicas de cuantificación de la actividad metabólica celular, actividad de la fosfatasa alcalina, cuantificación de la expresión génica, determinación de depósitos de fosfato de calcio y observación de las células adheridas. En segunda instancia, mediante el análisis de la viscosidad y densidad de soluciones con diferentes concentraciones de gelatina y cantidades de nanorodillos de hidroxiapatita mantenidas a distintas temperaturas se estudió la organización hidrodinámica de nuestro sistema. Esta sección fue complementada con estudios de espectroscopía y microscopía óptica. Como tercer paso se seleccionó una de las soluciones estudiadas, a la cual se le añadió un agente entrecruzante para obtener andamios a partir de un proceso de liofilizado. Estos andamios fueron luego caracterizados estructuralmente utilizando técnicas como microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, difracción de rayos X, espectroscopía infrarroja, espectroscopía fotoelectrónica de rayos X y calorimetría diferencial de barrido. Por otro lado se hicieron estudios en soluciones fisiológicas simuladas de degradación y bioactividad. En la parte final de nuestro trabajo, se realizaron estudios acerca de la porosidad, almacenamiento de solventes y propiedades mecánicas de los andamios construidos. Como resultado de este estudio, se obtuvieron andamios conformados a partir de una hidroxiapatita sintética similar a la apatita ósea, capaz de inducir proliferación y diferenciación celular, combinada con gelatina y un agente entrecruzante que presentan propiedades mecánicas comparables con las encontradas en tejidos óseos y características estructurales apropiadas para su consideración como biorreactor. Además, los estudios de bioactividad y degradación de los andamios también arrojaron resultados prometedores para su aplicación en ingeniería de tejidos óseos.

The bone, for its study, could be considered both a tissue and a structure, since it performs two basic functions: (i) control of Ca, P and Mg mineral metabolism (physiological function) and, (ii) support and protection of organs (mechanical function). As the primary structural material of the body, it must withstand a variety of static and dynamic loading conditions; which is possible due to the high complexity of its highly organized structure. Bone tissue is a composite of tough but flexible collagen fibers reinforced with calcium phosphate nanocrystals. This composite structure gives it a much greater rigidity than the rest of tissues while providing surprisingly high fracture toughness and damage resistance. The mechanical complexity of the bone tissue, which is composed of cortical bone and trabecular bone, each with different mechanical behaviors, surpasses that of most materials used in engineering and for that reason its replacement by a functional material is practically impossible. The clinical difficulties that arise from the inability to restore, in a loss of mass, the functionality of the bone tissue through the substitution, added to the deterioration of the bone micro architecture or qualitative losses of tissue associated with certain pathologies, motivate the need to investigate the way to regenerate native tissue. The goal is to guide the formation of necessary and sufficient healthy bone to cover the defects, as well as to provide adequate support to accommodate the prostheses. In the last decades, tissue engineering has become an area of science that offers us an option for bone regeneration, instead of replacement, through the use of three-dimensional structures (3D) or enriched matrices that can provide an autologous system of repair and regeneration of bone to large volumes: bone bioreactors. Currently these systems have become a more considered option and consist in the coupling and organization of cells, scaffolds and physiological supplements that simulate the tissue environment. With the adequate combination of these factors it is possible to obtain the adequate cellular response towards the functional regeneration of tissue, a scaffold being the mechanical support structure of the whole system. Considering the above, the following specific objectives of the present work were set out with the general aim of creating a structure with potential application as a bone bioreactor: (1) to study the potential response of bone cell regeneration to the presence of synthetic hydroxyapatite nanorods (HA); a fundamental component of the scaffold to be prepared (2) to determine the properties and interactions of HA nanorods with a protein derived from the hydrolysis of collagen (gelatin); the organization of this system will be the structural basis of the scaffold (3) to construct and characterize a scaffold based on the components mentioned in the search for the development of a bone bioreactor. First, the viability, proliferation, adhesion and differentiation in osteogenic lineage of stem cells derived from human adipose tissue cultured in the presence of coatings of two types of hydroxyapatite nanorods were studied. These aspects were analyzed by quantification techniques of cellular metabolic activity, alkaline phosphatase activity, quantification of gene expression, determination of calcium phosphate deposits and observation of adhered cells. In the second instance, the hydrodynamic organization of our system was studied by analyzing the viscosity and density of solutions with different concentrations of gelatin and amounts of hydroxyapatite nanorods maintained at different temperatures. This section was supplemented with spectroscopy and optical microscopy studies. As a third step, a crosslinking agent was added to a selected solution, in order to obtain scaffolds from a freeze-drying process. These scaffolds were then structurally characterized using techniques such as scanning electron microscopy, high resolution transmission electron microscopy, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and differential scanning calorimetry. On the other hand degradation and bioactivity studies were carried out in simulated physiological solutions. In the final part of our work, porosity, solvent storage and mechanical properties of constructed the scaffolds were studied. As a result of this study, scaffolds were obtained from a synthetic hydroxyapatite, similar to the bone apatite and capable of inducing cell proliferation and differentiation, combined with gelatin and a crosslinking agent. These structures presented mechanical properties comparable to those found in bone tissues and structural properties suitable for consideration as a bioreactor. In addition, studies of bioactivity and scaffold degradation also yielded promising results for application in bone tissue engineering.