Functionalized biomaterials for tissue engineering

Resumen

La ingeniería de tejidos ha establecido un nuevo paradigma en la medicina: las propiedades de los biomateriales modernos han de cumplir diversas funciones relacionadas con las necesidades de la sociedad que varían según la edad y las distintas enfermedades de los pacientes. La Introducción aborda los mecanismos de regeneración ósea y se discuten las técnicas más importantes que conducen a la modificación de la composición y la topografía de la superficie de los materiales base, así como la formación de materiales híbridos. El objetivo de esta Tesis es validar un enfoque híbrido para la regeneración de tejidos en el que los biomateriales se puedan multifuncionalizar mediante la modificación de su superficie y se utilicen en combinación con la terapia celular para su aplicación como implantes permanentes y temporales. En el Capítulo I se analizó la bioactividad de los tratamientos de superficie electroquímicos basados en anodizado de Ti comercialmente puro, Ti6Al4V y Zr puro para aplicaciones permanentes en el ámbito de la odontología y la ortopedia. Los efectos de la topografía de la superficie del recubrimiento y de la composición modificada mediante la incorporación in situ de elementos bioactivos se evaluaron con osteoblastos y osteoclastos. Mediante un estudio in vivo en modelo porcino, se analizó el contacto hueso-implante utilizando implantes de Ti comercialmente puros con una superficie modificada con recubrimientos cerámicos basados en Ca y P, mostrando una mejora en comparación con los implantes no tratados. En el Capítulo 2, se estudió la aleación Mg0.8Ca como un material biodegradable para su uso en regeneración ósea y aplicaciones cardiovasculares temporales, utilizando recubrimientos cerámicos de oxidación electrolítica por plasma. Mediante estudios de siembra directa de células en su superficie, el recubrimiento que contenía Si, Ca y P se identificó como adecuado para células endoteliales, premioblásticas y osteoblásticas. Los estudios con extractos del material se evaluaron en términos de biocompatibilidad, estudios con osteoblastos, osteoclastos y cocultivos; la muestra con Si-Ca-P se mostró más favorable en todos estos procesos. Finalmente, se preparó un biomaterial híbrido con una base de metal (Mg0.8Ca) con un recubrimiento cerámico y la adición de un material polimérico con estructura porosa obtenida mediante el método Breath Figures. En el Capítulo 3, se funcionalizaron selectivamente plataformas de poliestireno mediante la técnica de Breath Figures con motivos antibacterianos ubicados dentro de los poros del polímero. Se mostró que la modulación del diámetro de poro a 3-5 µm permite que las bacterias alcancen el interior de los poros y mueran de forma selectiva por contacto con los grupos antibacterianos, mientras que las células endoteliales permanecen adheridas a la superficie del material manteniendo niveles normales de adhesión y proliferación. En el Capítulo 4, los hidrogeles basados en vinil-lactamas se analizaron como nuevos biomateriales para su aplicación en terapia celular como soportes para crecimiento celular y trasplante. El hidrogel VCL que presentaba zwitteriones sulfobetaínicos se muestra como el más prometedor con respecto a las células endoteliales en comparación con otros hidrogeles iónicos VCL y el control basado en VP (vinilpirrolidona). El hidrogel neutro se evaluó utilizando tres tipos de células diferentes cultivadas en hidrogeles termosensibles libres basados en VCL. En los hidrogeles de VP cargados en superficie (positivo, negativo y pseudo-zwitteriónico) soportados en policarbonato se observaron diferencias con respecto al crecimiento de células endoteliales y al potencial de trasplante, siendo la carga negativa la más favorable. En conclusión, se han evaluado tres pasos clave en el proceso de la multifuncionalización de biomateriales para la aplicación de implantes permanentes o temporales en diferentes procesos de regeneración de tejidos.