Biomateriales poliméricos para aplicaciones médicas

Por Felipe Sánchez Banda

Saltillo, Coahuila. 26 de noviembre de 2018 (Agencia Informativa Conacyt).- Fabricación de membranas para purificación de sangre en los procesos de diálisis, apósitos para la curación de heridas, suturas quirúrgicas, implantes dentales y vasculares, catéteres, entre otras, son las aplicaciones de los biomateriales poliméricos en el sector médico.

Morfología de mat de fibras poliméricas

Los biomateriales poliméricos actualmente representan una alternativa para la fabricación de insumos médicos y tratamientos de diversos padecimientos óseos.

En el marco de las actividades de la XXV Semana Nacional de Ciencia y Tecnología (Sncyt), Desastres naturales: Terremotos y huracanes en Coahuila, el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) presentó la conferencia Biomateriales poliméricos para aplicaciones médicas, referente a un proyecto de investigación dirigido por los doctores Graciela Elizabeth Morales Balado, investigadora del Departamento de Síntesis de Polímeros del CIQA; Jesús Heriberto Rodríguez Tobías, egresado del doctorado en tecnología en polímeros de la institución, y con la asesoría de la doctora Karen Lozano, de la Universidad de Texas Rio Grande Valley (UTRGV).

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, Victoria María Padilla Gainza, colaboradora del proyecto y estudiante de doctorado en tecnología en polímeros del CIQA, explica la importancia de los biomateriales poliméricos, su uso en el sector médico en la actualidad y la investigación que desarrollan al respecto en el CIQA.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Qué es un biomaterial?

Victoria María Padilla Gainza (VMPG): Un biomaterial es un material sintético o natural usado en un dispositivo médico que tiene el propósito de interactuar con un sistema biológico.

AIC: ¿Qué particularidad tiene un biomaterial polimérico?

VMPG: Cuando hablamos de biomaterial polimérico es que el material está hecho con base en una macromolécula, que está compuesta por unidades repetitivas y es llamada polímero. Es la clase más grande de biomateriales y se pueden usar en aplicaciones relacionadas con tejidos duros o blandos y como agentes de liberación de fármacos.

Pueden ser derivados de fuentes naturales o sintéticas; entre los naturales tenemos la celulosa, alginato de sodio, caucho natural, colágeno, heparina, por nombrar algunos; con relación a los sintéticos, existe una gran variedad, por ejemplo, la silicona, polipropileno, polietileno, polimetilmetacrilato (PMMA), poliácido láctico, polietilenglicol, entre otros.

AIC: ¿Por qué es importante investigar este tema?

VMPG: Es importante porque mundialmente hay una gran variedad de enfermedades degenerativas (diabetes, osteoporosis, osteoartritis, entre otras) que necesitan alternativas médicas para ser atendidas. Además, los materiales poliméricos ofrecen una excelente opción para generar dispositivos con las características adecuadas para aplicaciones en el área médica.

AIC: ¿En qué aplicaciones médicas se utilizan los biomateriales poliméricos?

VMPG: En el caso de las fuentes naturales, como la celulosa, se utiliza en las membranas para purificación de sangre en los procesos de diálisis; el alginato de sodio es un polisacárido derivado de algas marinas, y se ha encontrado su uso en apósitos para la curación de heridas.

El caucho natural proviene de la savia de algunas especies de árboles y es muy utilizado en la industria del neumático y llantas aislantes, es muy conocido por sus grandes propiedades elásticas y de resistencia a sustancias alcalinas y básicas. En el área biomédica, es ampliamente usado en la fabricación de guantes quirúrgicos.

Hay otros biomateriales derivados de fuentes animales, como el colágeno que es la proteína más abundante del cuerpo humano, ya que se encuentra mayormente en piel, hueso y tejido muscular. Es usado para mejorar la flexibilidad de la piel y en implantes dentales. Está la heparina también, que es una sustancia anticoagulante que se encuentra en casi todos los tejidos del cuerpo, especialmente en el hígado, pulmón y músculos, y es usada para la fabricación de tubos de recolección de sangre.

En cuanto a las fuentes de polímeros sintéticos, la silicona tiene grandes propiedades de flexibilidad y resistencia, se usa en uniones de dedos, en válvulas cardiacas, en implantes para senos; también para la reconstrucción de barbilla, nariz, oreja, y para la fabricación de catéteres y tubos de drenaje. El polimetilmetacrilato es otro polímero sintético, y es usado para fabricar lentes intraoculares, lentes de contacto duro.

Morfología de mat de fibras poliméricas.De la misma familia de los metacrilatos, se encuentra el poli(2-hidroxietilmetacrilato) (PHEMA), especialmente usado en lentes de contacto suaves. El teflón es usado en la fabricación de filtros y catéteres,  y en su forma con microporos en prótesis vasculares. El nylon, polietileno y poliácido láctico son ampliamente usados en suturas quirúrgicas. El tereftalato de polietileno, conocido como PET por sus siglas en inglés, en su forma de tela tejida es empleado en implantes vasculares, fijación de implantes, reparación de hernias y reconstrucción de ligamentos.

AIC: ¿Qué proyecto desarrollan actualmente sobre el tema en el doctorado?

VMPG: Estamos desarrollando materiales a base de fibras poliméricas que tengan propiedades antibacterianas y bioactivas, a través de una técnica de hilado por centrifugación, y evaluar su potencial uso como andamio para la regeneración de tejido óseo.

Como agente antibacteriano se está usando el óxido de zinc, debido a que tiene propiedades antibacterianas comprobadas en diferentes cepas, además es un material económico para producir y tiene muy fácil control de la morfología. Otra característica importante es que posee cierta toxicidad selectiva para bacterias con efecto reducido en células humanas.

Como agente bioactivo se está usando la hidroxiapatita, que es uno de los principales componentes del hueso, y tiene influencia sobre varios procesos biológicos que ayudan a la regeneración del tejido óseo.

Los polímeros que se están usando son biopoliésteres, que son biodegradables y que han mostrado evidencias de biocompatibilidad en varios tejidos y células.

Por último, la técnica de hilado por centrifugación (Forcespinning^®) que se está usando tiene ventajas significativas sobre otras técnicas empleadas para la producción de fibras. Entre las ventajas más significativas, se encuentra su velocidad de producción, lo que permite la obtención de materiales de dimensiones considerables en tan solo unos minutos.

AIC: ¿Qué resultados han obtenido hasta el momento?

VMPG: Hemos obtenido muy buenos resultados antibacterianos, trabajamos con dos tipos de polímeros, uno es el polihidroxibutirato (PHB) y el otro es el poliácido láctico (PLA). Con el polihidroxibutirato tuvimos muy buenos resultados antibacterianos con baja concentración de óxido de zinc; con concentraciones de uno por ciento tenemos casi un 100 por ciento de inhibición al crecimiento de bacterias de interés clínico como el Staphylococcus aureus (S. aureus) y Escherichia coli (E. coli).

E.coli cortesía de Wikipedia.En el caso del PLA, tuvimos que aumentar un poco la concentración de óxido de zinc para lograr una inhibición por encima de 97 por ciento, pero sí hemos obtenido condiciones que permiten que los materiales tengan actividad antimicrobiana.

En cuanto a la biocompatibilidad de los materiales, cuando hablamos de viabilidad celular nos referimos al metabolismo de las células; por ejemplo, si tenemos un porcentaje alto de viabilidad, quiere decir que las células están sanas. En detalle eso es lo que se mide, se pone a interactuar el material con células en un medio biológico y se hacen medidas de absorbancia, utilizando un indicador de la actividad metabólica, y eso se representa por medio de un porcentaje conocido como viabilidad celular. Mientras más alta sea esa viabilidad celular, decimos que las células están sanas, es decir, que el material no alteró de manera significativa el desarrollo de las células.

Con relación a las pruebas de viabilidad celular, el PLA promovió una mejor respuesta celular que el PHB, con valores por encima de 60 por ciento. Lo que refleja un resultado prometedor para este tipo de aplicaciones.

AIC: ¿Cuál es el futuro del proyecto?

VMPG: En este caso, estos resultados los hemos desarrollado con el uso de las nanopartículas de manera separada. Por ejemplo, el caso de la actividad antimicrobiana lo hicimos solo con nanopartículas de óxido de zinc, los estudios biológicos los hicimos con la hidroxiapatita, pero en esta tercera fase estamos haciendo los estudios con el material ternario que es la combinación del polímero con las dos nanopartículas. Entonces esto es lo que estamos desarrollando en esta etapa y vamos a ver qué pasa combinando las dos nanopartículas bajo las condiciones que nos dieron mejores resultados, haciendo las evaluaciones de manera separada, queremos ver qué sucede, si siguen teniendo buenas propiedades antibacterianas y bioactivas.

El desarrollo de un dispositivo médico lleva varias etapas de experimentación. En la propuesta del proyecto de tesis, pensando de manera optimista, se planteó la posibilidad de realizar pruebas in vivo del material diseñado. Sin embargo, las etapas de experimentación previas a la realización de las pruebas in vivo llevan mucho tiempo y el tiempo se va muy rápido. En el tiempo que queda del doctorado, que es un año, no podremos llevar el estudio hasta ese nivel, pero sí vamos a poder tener los resultados in vitro que muy bien podrían ser un comienzo de nuevas investigaciones para después llevar el dispositivo a un nivel más avanzado.

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