Cuando trabajamos con tamaños pequeños de materia es posible realizar grandes cambios que pueden ser asombrosos. Así, se descubren nuevos propiedades en los materiales ya conocidos y también aparecen nuevos, tales como los cerámicos y vitrocerámicos nanoestructurados. Esta innovación está desarrollándose en la Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria (FCAI) de la UNCUYO.

Guiados por estas nano-curiosidades conversamos con la doctora María J. Santillán, especialista en el desarrollo de nanomateriales para aplicación biomédica y en la técnica de deposición electroforética. 

La investigadora nos contó cómo diseñan y fabrican estos nuevos materiales siguiendo dos líneas de investigación. Cada una de ellas tiene diferentes metodologías y procedimientos, que permiten diseñar elementos y materiales con propiedades específicas para hacer recubrimientos y matrices porosas (scaffolds). Estas últimas son la base de la ingeniería de tejido y, por consiguiente, su uso junto a factores determinados permite regenerar un tejido específico. El incremento de estos avances se debe a que estos nanomateriales especiales tienen la característica de ser bioactivos y biodegradables.

¿En qué consisten los nanorrecubrimientos?

En el caso de los recubrimientos, evaluamos cómo lograr una mejor osteointegración del material elaborado con el tejido vivo. Por ejemplo, cuando hay una fractura y se debe hacer un injerto en el hueso dañado, el recubrimiento nanoestructurado mejora el anclaje entre el material extraño (prótesis) y el material vivo del cuerpo humano, debido a que la nanotopografía del material sintético permite una mejor adherencia de las células vivas de manera preferencial (ver figura 1).

Figura 1: a) TiO2nanoestructurada (Degussa). b) Síntesis de nanocomposite TiO2-Ag con efecto bactericida.

¿Qué metodología utilizan para poder realizar estos recubrimientos?

Empleamos las técnicas electroquímicas para el procesamiento de materiales, como es el caso de la deposición electroforética (EPD). Con esta práctica hemos logrado avances muy interesantes sobre la manipulación de materiales de naturaleza nanométrica.

¿Nos podría explicar en qué consiste la deposición electroforética?

La EPD es un procedimiento que permite obtener recubrimientos funcionales sobre sustratos de formas diversas, ya sean en 2D y 3D, los cuales mejoran notablemente la respuesta de los materiales usados. Por ese motivo, la EPD es una técnica reproducible y económica que necesita simplemente una fuente de tensión, una celda de deposición, un electrodo de trabajo y un contraelectrodo para su realización. 

La EPD es un proceso que se da en dos etapas. Primeramente, involucra el movimiento de partículas cargadas, suspendidas en el seno de un líquido adecuado, que migran hacia el electrodo de carga opuesta, como consecuencia de la aplicación de un campo eléctrico externo (electroforesis). 

La segunda etapa implica la coagulación de estas partículas o nanoestructuras sobre el electrodo de trabajo (sustrato), con lo que se crea un recubrimiento compacto y homogéneo (deposición). La figura 2 muestra un esquema de la celda típica de EPD (ver figura 2).

Figura 2: esquema de la celda típica de EPD.

Además de los recubrimientos, ¿ustedes también investigan las matrices porosas?

Sí, en las matrices porosas o scaffolds se emplean materiales biocompatibles de origen muy variado, tanto poliméricos como vitrocerámicos. 

Nuestro equipo de investigación trabaja con vidrio bioactivo en base a sílice y/o fosfato, poliuretano, policaprolactama, poly (D,L-lactide) (PDLLA) y otros co-polímeros y composites diseñados a medida. La estructura y las propiedades de esos scaffolds son pertinentes al tejido que se quiere regenerar, junto a los factores de crecimiento y células empleadas.

¿Cómo debe ser un scaffold ideal para regeneración de tejido óseo?

La matriz porosa debe ser biocompatible para permitir la unión, diferenciación y proliferación celular. Otra características que tienen que tener es la de osteoconductor y osteoproductor (es decir, unirse fuertemente al hueso), biodegradable a velocidad controlada y competente mecánicamente.

Es importante mencionar que respecto de este segundo aspecto abordado, los materiales vítreos que empleamos son biodegradables, lo que produce la disolución del material sintético sin dejar residuos nocivos para el organismo; mientras simultáneamente se produce la proliferación celular del nuevo tejido sobre el scaffold.

Esta característica sobresaliente de los vidrios bioactivos es producida porque estos tienen la capacidad de regular el proceso genéticamente. Así, es necesaria la activación de una secuencia sincronizada de genes para inducir la división celular y sintetizar una matriz extracelular, que sea capaz de mineralizar y transformarse en hueso. Esta regulación genética se desarrolla dentro de las primeras 48 horas de iniciada la interacción biovidrio-célula. 

De este modo, el uso de los productos disueltos de los vidrios bioactivos estimula la reparación celular a nivel molecular, ofreciendo la promesa de crear andamios para la ingeniería de tejido óseo.

¿Cuál es la metodología que manejan para desarrollar las matrices porosas?

En relación con el método empleado para producir los scaffolds, incorporamos la técnica del dipcoating. Esto consiste en sumergir y extraer un sustrato de poliuretano (tiene la forma de una esponja) a velocidades controladas de una suspensión de vidrio bioactivo, con viscosidad conocida.

Este proceso lo repetimos varios ciclos para aumentar la cantidad de material retenido y evaluar su influencia en el producto final. Luego, se sinteriza –fenómeno que consiste en elevar la temperatura a diferentes velocidades–. De ese modo, logramos hacer desaparecer el polímero (matriz de sacrificio); el resultado es la obtención de la estructura porosa vítrea, con las características buscadas de bioactividad y propiedades mecánicas (ver figura 3).

Figura 3: Morfología de los scaffolds de vidrio bioactivo obtenidos por DipCoating.

¿Nos podría dar un ejemplo de la intervención de una matriz porosa en un caso particular?

Pensemos en una persona que ha sufrido un accidente que le generó la pérdida de una parte de su estructura ósea. Aquí es posible implantar un scaffold bioactivo para reparar esa pérdida. De esta manera, una vez aplicado el material biocompatible en la zona de la lesión, el tejido iría regenerándose por medio de un proceso de osteointegración, a través de los mecanismos antes mencionados.

Por lo tanto, el nuevo material se comporta como un nutriente para el crecimiento óseo. Así es factible recuperar la parte dañada del cuerpo, evitando el uso de injertos provenientes de huesos cadavéricos.

¿En qué están trabajando en este momento?

Estamos elaborando nanomateriales y nanocomposites bioactivos en laboratorio por diferentes técnicas. Incorporamos antibióticos y otros agentes bactericidas y, en colaboración con otros grupos, evaluamos la liberación de los mismos y el efecto ante agentes patogénicos, como es el Estafilococo aureus (agente infeccioso común en infecciones post implantes). También estudiamos cómo reaccionan los materiales “in vitro”, aunque todavía no hemos abordado la aplicación de estas técnicas en organismos vivos (ver figura 4).

Figura 4: micrografías de SEM de un recubrimiento de nanocompositeTiO2-Ag donde se observan adheridas algunas bacterias inviables por la acción de la Ag.

Finalmente, nos interesa saber cómo realizan estas colaboraciones con otros equipos de investigación.

Hemos tejido una red de vínculos institucionales e interdisciplinarios entre la FCAI de la UNCUYO, el Instituto de Biología Celular de la Universidad Católica de Salta (doctor A. Gurostovih), la Universidad de Buenos Aires (doctora V. Mouriño), el Instituto de Corrosión y Protección, Pontificia Universidad Católica del Perú (profesor I. Díaz Tang), DEYTEMA (doctora N. Quaranta) y el Instituto de Biomateriales de la Universidad de Erlangen-Nüremberg, Alemania, dirigido por el profesor Aldo R. Boccaccini, uno de los pilares fundamentales en estas áreas de investigación.

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Proyecto de investigación subsidiado por la Secretaría de Ciencia, Técnica y Posgrado de la UNCUYO: “Nuevos materiales compuestos utilizados en recubrimientos funcionales para implantes y regeneración de tejidos.”

Integrantes del equipo: Directora: Santillán, María José. Codirector: Membrives Barrachina, Francisco. Integrantes: Arab, Omar; Sánchez Alicia María; Ninago, Mario Daniel; De Ondarra, Jorge Sergio; Clavijo Velázquez, Silvia Cristina; Cabañas, Verónica; Boccaccini, Aldo Roberto; Quaranta, Nancy Esther.