construcción y evaluación de andamios modificados …148.206.53.84/tesiuami/uami15681.pdf · 4.2...

41
Qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyu iopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcv bnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwe rtyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopa sdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklz xcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfgh jklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvb nmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwer tyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopas dfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx cvbnmqwertyuioplasdfghjklzxcvbnmrt yuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasd fghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw Construcción y evaluación de andamios modificados con polipirrol por plasma para el crecimiento de células de cartílago Proyecto Terminal Ingeniería Biomédica Lizeth Ávila Gutiérrez

Upload: lamtu

Post on 30-Sep-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyu

iopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg

hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcv

bnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwe

rtyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopa

sdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklz

xcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnm

qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui

opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfgh

jklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvb

nmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwer

tyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopas

dfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx

cvbnmqwertyuioplasdfghjklzxcvbnmrt

yuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasd

fghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc

vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw

Construcción y evaluación de andamios modificados con polipirrol

por plasma para el crecimiento de células de cartílago

Proyecto Terminal

Ingeniería Biomédica

Lizeth Ávila Gutiérrez

Agradecimientos

Esta tesis está dedicada a mi madre Concepción Gutiérrez Vargas, a quien agradezco de todo

corazón su amor, cariño, apoyo, compañerismo y comprensión. Con quien he cosechado y

compartido triunfos a cada momento de mi vida.

Agradezco a cada uno de mis familiares quienes me han inculcado lo importante que es luchar

por los ideales. Y a quien fielmente compartió noches de desvelo a mi lado a lo largo de los

últimos años. A todos ellos les digo gracias…

Pero sobre todo este trabajo se realizó gracias al apoyo y combinación de recursos de:

Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Iztapalapa, el Hospital Infantil de México

(Federico Gómez) y el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares. Dedicando ambos su

tiempo y parte de su estructura para el desarrollo de este trabajo.

De la UAM agradezco al Dr. Roberto Olayo, quien me dio la oportunidad de integrarme a su

equipo, por el tiempo dedicado a la dirección de este trabajo, por ayudarme a crecer como

profesional y persona. Pero sobre todo por ayudarme a encontrar mi verdadera vocación. Al Dr.

Juan Morales por su colaboración en el desarrollo de este trabajo. A mis compañeros Javier,

Bersain, Mario, Rafael, Juan que han hecho que mi estancia en la UAM, una buena experiencia.

Al Dr. Salvador Carrasco y la Dra. Ma. Teresa García por su apoyo incondicional a lo largo de mi

carrera. A todas las personas que contribuyeron de una manera u otra para que estos años

fueran divertidos: Elena, Salomón, Cristino…. A todos gracias….

A la Dra. Atlántida Raya del Hospital Infantil de México (Federico Gómez) por permitirme

colaborar junto con grupo de trabajo. A la Biol. Raquel Valdez por su tiempo y dedicación para el

desarrollo de este trabajo, quien también es parte de este proyecto. Y del ININ a quienes

dedicaron parte de su tiempo y de su infraestructura al desarrollo de esta investigación en los

análisis de SEM y SEM-EDS.

A todos les digo……

¡¡¡¡Gracias por creer en mí!!!!

INDICE

1. Introducción

2. Objetivos

3. Revisión de la literatura

3.1 Fisiología del cartílago

3.2 Ingeniería tisular y aplicaciones en cartílago

3.3 Tipos de Biomateriales

3.3.1 Polímeros

3.4 Síntesis del Ácido Poliláctico (PLA)

3.5 Síntesis de Poli-caprolactona (PCL)

3.6 Técnica de electrohilado

3.7 Polimerización por plasma

3.8 Síntesis y caracterización del polipirrol

3.9 Tipos de cultivos celulares

4. Procedimiento experimental

4.1 Electrohilado (preparación de soluciones, condiciones generales, recolectores y

tratamientos pos-hilado)

4.2 Polimerizado por plasma

4.3 Caracterización de fibras

4.4 Obtención de células y cultivo de condrocitos

4.5 Pruebas celulares

4.6 Prueba de viabilidad (MTT)

4.7 Deshidratación y punto crítico de muestras biológicas para observación en

Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)

5. Resultados

5.1 Influencia de la temperatura del electrohilado

5.2 Influencia de los recolectores

5.3 Influencia de la concentración del polímero

5.4 Andamios de PLA,PCL y combinados

5.5 Porosidad de los andamios

5.6 Tratamiento pos-hilado

5.7 Polimerización por plasma

5.8 Pruebas in-vitro con membranas de PLA/PCL: viabilidad y Microscopía Electrónica

de Barrido (SEM)

5.9 Implantación de membranas en pruebas in -vivo

5.10Explante de membranas.

6. Conclusiones

7. Bibliografía

Construcción y evaluación de andamios modificados con polipirrol por plasma para el crecimiento de

células de cartílago

1. Introducción Las lesiones de cartílago causadas por defectos degenerativos de las articulaciones o lesiones

traumáticas, son un problema de salud, debido a la pobre capacidad de regeneración del

cartílago, por lo que una vez destruido es difícil de reparar. Estas lesiones ocasionan dolor,

trastornos funcionales y discapacidad con poca posibilidad de recuperación aún con

tratamiento. Este es un problema abierto, en el que se han visto avances con la participación de

ingeniería de tejidos, particularmente con el desarrollo de nuevos andamios para el sembrado

celular, siendo un campo actual que promete cubrir las necesidades.

La ingeniería tisular es una ciencia que aplica los principios de la ingeniería y las ciencias de la

vida para desarrollar sustitutos biológicos que reparen o mejoren la función biológica de un

tejido u órgano. Basándose en tres elementos fundamentales: las células, las biomoléculas y los

andamios poliméricos.

El presente proyecto continuó con la línea de investigación iniciada entre la UAM-I y el Hospital

Infantil Federico Gómez, donde se han probado esponjas biodegradables cubiertas de pirrol con

resultados alentadores. En este proyecto se generaron andamios por electrohilado, de

polímeros sintéticos como: ácido poliláctico (PLA), poli-caprolactona (PCL) y la combinación de

ambos adquiriendo una gran variedad de formas y fueron recubiertos por polimerización en

plasma (pirrol/yodo) para el crecimiento de células de cartílago (Garcia, 2008). Los andamios

recubiertos se evaluaron con Microscopía Óptica, Microscopía Electrónica de Barrido (SEM),

Espectroscopia de Rayos X por dispersión de energía (SEM-EDS), sus características de

composición, tamaño y distribución de poro y diámetro de fibras. La viabilidad y proliferación

celular de condrocitos, tanto in-vitro como in-vivo también fue estudiada

2. Objetivos Generación de un andamio por electrohilado, modificado superficialmente para el

crecimiento de células de cartílago.

Obtener andamios modificados por electrohilado partiendo de un solo polímeros y

combinación de varios; buscando diferentes porosidades y tiempos de degradación.

Modificar superficialmente los andamios con polimerización por plasma de

polipirrol/yodo.

3. Revisión de la literatura

3.1 Fisiología del cartílago

El tejido esquelético está conformado por el tejido conectivo denso, el cartílago y el tejido óseo.

El cartílago es una forma especializada de tejido conectivo, donde los condrocitos están aislados

en pequeños espacios de la matriz extracelular compuesta de fibras, en donde a diferencia de

otro tipo de tejidos este no tiene terminaciones nerviosas ni vasos. Nutriéndose por difusión a

través de un gel coloide rico en agua.

El cartílago está rodeado de una capa de tejido conectivo de colágeno denso llamado

membrana del cartílago o pericondrio. Este se puede clasificar en tres tipos de cartílago

(hialino, elástico y fibroso) dependiendo de la región en la cual se localiza: (Geneser, 2003)

Cartílago hialino; este tiene un aspecto vidrioso azulado y se localiza principalmente en los

cartílagos costales como parte del esqueleto nasal, la laringe, en la tráquea, en los bronquios y

en las superficies articulares. (fig. 1)

3.2 Ingeniería tisular y aplicación en cartílago

La ingeniería tisular es una tecnología de reciente aparición. Donde su metodología es ayudar y

acelerar la regeneración y la reparación de los tejidos defectuosos, proporcionando a las células

un entorno local que les permita regular su proliferación y diferenciación. Modificando

genéticamente las células para su manipulación tanto en investigación de células y terapia,

mediante la creación de entornos por medio de biomateriales, contribuyendo al desarrollo de

células de alta calidad para la terapia de trasplantes de células. (Yusihiko, 2008)

Fig.1 Cartílago hialino corte histológico

Gran parte del dolor de las articulaciones es debido a la degeneración del cartílago, sido un

problema que afecta a personas de todas las edades. Actualmente son empleadas técnicas

quirúrgicas, para tratar lesiones de cartílago en donde ninguna ha dado resultados satisfactorios

a largo plazo. Recientes avances de la biología y la ciencia de los materiales han traído nuevas

técnicas de reparación del tejido. A través de la combinación de células, andamios,

biorreactores, estimulaciones mecánicas y factores de crecimiento, ofreciendo nuevas

posibilidades en la regeneración de cartílago y tejido. (Dobrila Nesic, 2006)

Siendo elemental conocer la anatomía del cartílago articular, los tipos de lesiones y métodos de

reparación. Con el fin de entender las necesidades de los biomateriales que se utilizan

normalmente en la actualidad para el tejido de cartílago dentro de la de ingeniería, para

construirse adecuadamente la interface célula- biomaterial. (Temenoff J., 2000)

El cartílago no tiene la capacidad de regenerarse por lo que se requieren ambientes que permita

él crecimiento de este, a partir de biomateriales y factores de señalización que influyen en el

comportamiento celular (condrocitos) y la formación de cartílago. Con él único fin de promover

el crecimiento de tejido cartilaginoso que pueda imitar las mismas propiedades del tejido

natural. (Chung Cindy, 2008)

La regeneración de huesos y del cartílago puede ser acelerada por ciertos factores de

crecimiento, los cuales son impregnados en algunos sitios como lesiones, con el fin de estimular

los procesos de cicatrización de los tejidos. Existiendo hoy en día factores de crecimiento

implicados en la reparación y regeneración de hueso y cartílago. Existiendo compañías

preocupadas en la generación de andamios conformados de distintos polímeros de tipo

sintético o naturales, generando andamios porosos o a partir de micropartículas e hidrogeles.

(Soo-Hong Lee, 2007)

Recientes avances en el desarrollo de biomateriales y terapia celular han ofrecido la posibilidad

de explorar nuevas estrategias, tanto en biomateriales naturales como sintéticos, diseñando

entornos adecuados. Permitiendo la generación de andamios biomiméticos, siendo materiales

que pueden realizan la misma función que el tejido biológico, pero que se construyen a partir

de un andamio sintético (polímero biodegradable, poroso y con forma de tubo) sobre el cual se

aplican células en este caso condrocitos del propio paciente que proliferan y se diferencian. (Vial

Ximena, 2009)

El electrohilado se ha utilizado en el auto-ensamblaje de péptidos y la biominerización las cuales

han sido empleadas para la fabricación de andamios nano-estructurados que imitan mejor el

medio extracelular, que se encuentra dentro de los tejidos vivos. Reincorporación péptidos que

tienen como finalidad el reconocimiento celular y el uso de la tecnología de ADN recombinante,

permitiendo la creación de andamios con nuevos niveles de disfuncionalidad, creando entornos

altamente adaptados para la regeneración celular. (Bonzani Lan, 2006) Así que el éxito de la

regeneración o sustitución de cartílago dañado o enfermo dependerá de los futuros avances, de

la comprensión de la biología del cartílago y del desarrollo tecnológico en la ingeniería. (Kuo

Wen Hung, 2005)

Actualmente se ha venido implementando una técnica en la cual se deposita una fibra

conformada a partir de poly (ethylene glicol) – terephthalate-poly (butylene terephthalate)

(PEGT/PBT) formando una red de interconexión con forma de poros. Esta técnica ha permitido

el diseño de un andamio con características de capa por capa, permitiendo tener un mayor

control sobre cómo se depositan las fibras. Así que al variar la composición de PEGT/PBT se

modificó la porosidad y la geometría de los poros alterándose sus propiedades mecánicas como

son el equilibrio y la rigidez dinámica las cuales fueron muy similares a las del cartílago articular

que son de (.27 y 4.10 MPa. respectivamente), mientras que las obtenidas a partir de estos

experimentos fueron entre el rango de 0.05-2.5 y de 0.16 -4.33 MPa. Además, los resultados

generaron también una distribución homogénea de las células después de 5 días de la siembra,

obteniéndose un modelo útil para el desarrollo de andamios y la arquitectura de poros que a su

vez permiten la formación de cartílago articular. (Woodfield T.B.F, 2004)

Se han continuado haciendo investigaciones incorporándose biomateriales al tejido circundante

con el fin de que se presente una funcionalidad inmediata y con resultados a largo plazo,

utilizado sulfato de condroitina (CS) que es uno de los principales componentes de la matriz

extracelular del cartílago formándose un bioadhesivo que es fácil de aplicar, analizándose la

estabilidad mecánica de la utilización de sulfato de condroitina para biomateriales. (Wang Dong-

An, 2007)

Actualmente se han usado andamios poliméricos para mejorar su rehabilitación. Estos pueden

modificar el tamaño de los poros, la porosidad del mismo, la biocompatibilidad, la especificidad

de la forma, la integración con el tejido propio, la degradación en función con la tasa de

formación del neo-cartílago y la rentabilidad. (Raghunath J. Rollo J., 2007). Concluyéndose que

el tamaño del poro, afecta la cantidad y la composición del tejido cartilaginoso. (Bhardwaj

Tajinder, 2001).

3.3 Tipos de Biomateriales

Biomaterial, se define como cualquier material que pueda reemplazar y /o restaurar tejidos u

órganos vivos de manera temporal o permanente, entendiendo las relaciones existentes entre

las propiedades, funciones y estructuras de los materiales biológicos, materiales de implante y

la interacción existente entre ellos.

Observando la clasificación esta se divide en 4 grupos, dada sus estructuras y propiedades:

3.3.1 Polímeros

Los polímeros, son compuestos de tipo químico, natural o sintético que se forma a partir de

reacciones químicas entre dos o más moléculas que se combinan de la misma especie, para

formar otro compuesto más complejo. Estos son macromoléculas formadas por la unión de

moléculas más pequeñas llamadas monómeros. (Piña, 2009)

Los materiales poliméricos tienen una gran variedad de aplicaciones dadas sus propiedades,

físicas, químicas y mecánicas. Existen dos tipos de polímeros de acuerdo a su origen: natural y

sintéticos.

Entre los polímeros de origen natural encontramos las proteínas y los polisacáridos que forma

parte del tejido vivo, dentro de los polímeros sintéticos que actualmente son utilizados en el

campo biomédico tenemos el polimetil-metacrilato (PMMA), el polietileno (PE) y poco a poco

con el paso de los años se han venido introduciendo nuevos polímeros biodegradables siendo

utilizados en varios aspectos como la cirugía ortopédica, fijación de fracturas, remplazo óseo,

cartílago y meniscos. Estos materiales han sido usados en su mayoría en forma de tornillos,

clavos y placas para cirugías tanto ortopédicas como cráneo-faciales.

Alguna de las características que deben de tener los materiales biodegradables para poder ser

utilizados dentro del organismo humano es que no deben ser mutagénicos, carcinógenos ni

tóxicos, si no al contrario deben de ser totalmente compatibles con el tejido receptor y no

generar reacciones patológicas. Como ejemplos de estos polímeros biodegradables tenemos:

Polímeros Metálicos

Materiales

Compuestos

Cerámicos

Fig.2 Clasificación de los materiales

Fig. 3 Ejemplos de Polímeros Biodegradables

Siendo los más comunes los obtenidos a partir del ácido poli-glicólico (PGA) y el ácido poliláctico

(PLA) utilizados en suturas biodegradables, también hay otros materiales como la polidioxanona

y copolímeros de poli (-caprolactona), los cuales han sido aceptados como materiales de uso

biomédico.

3.4 Síntesis del Ácido Poliláctico (PLA)

El ácido poliláctico (PLA), tiene como características ser un material termoplásticos, amorfo,

semi-cristalino con un alto valor de fuerza mecánica y plasticidad térmica. Siendo posible la

síntesis del ácido láctico, en ácido poliláctico, teniendo un mayor peso molecular, trasformado

primero el ácido en un diester cíclico conocido como polilactide. La polimerización es llevada a

cabo por la apertura del anillo del diester cíclico, utilizándose diferentes iniciadores metálicos e

inorgánicos como el Zn y estaño; siendo él más utilizado el octanato estañoso (fig. 4).

Polímeros Biodegradables

Naturales

Protéicos

Albúmina Colágeno

Polisacáridos

Quitosano Quitina

Carboxicelulosa Glucosaminoglucanos

Sintéticos

Polieortoésteres Policianoacrilatos

Polianhidridos Poli-ala-aminoácidos

Polifosfacenos Policarbonatos

Poliésteres Alifáticos

Polidioxanona Poliecaprolactona

Ploli-alfa-hidroácidos

Poliglicólico Poliláctico

Fig.4 Síntesis del láctico a poliláctico

3.5 Síntesis de la Policaprolactona (PCL)

La policaprolactona es sintetizada mediante la polimerización por apertura del anillo -

caprolactona usando como catalizador el octanato de estaño (fig. 5), este polímero es semi-

cristalino, además de presentar un punto de fusión a los 59⁰C-64⁰C y una Tg -60⁰C, este

material tiene un intervalo de degradación de aproximadamente 2 años .

Fig. 5 Síntesis de -caprolactona a policaprolactona

3.6 Técnica de electrohilado

La reconstrucción de tejidos a partir de un cultivo controlado de células sobre un soporte es una

de las aplicaciones más importantes de los polímeros. Esta técnica consiste en la generación de

fibras a partir de inyección de una solución polimérica en un campo electrostático del orden del

kilo-volts (kV), obteniendo un entrelazado de nano y micro fibras poliméricas por medio de un

colector. La figura 6 presenta un esquema del equipo.

En esta técnica es importante el control de las variables físicas involucradas en el proceso de

fabricación de fibras como son: el campo eléctrico (voltaje y distancia entre cargas),

temperatura, humedad, distancia entre inyector/colector y flujo de la solución .El control de

estas variables tiene como fin determinar la estabilidad del proceso y la calidad del material

fabricado.

Estas variables se manipulan de acuerdo a la pareja polímero/solvente buscando tener un flujo

estable, que la muestra pierda el solvente en el trayecto al colector y se logre una fibra del

grosor esperado. Mientras que, las propiedades mecánicas de las fibras (elasticidad y

resistencia) dependerán de la clase de polímero y las características del solvente. (W. Gamboa,

2007)

X. M. Mo y colaboradores electrohilaron copolímeros de PLLA-PCL disolviéndolos con acetona

o alcohol, a baño maría a 45⁰C variando la solución entre un 3- 9% colocando una jeringa de

plástico de 20 ml, variando el diámetro de la aguja entre 0.4-1.2 mm. Observando los efectos

de los diferentes parámetros como son calibre de la aguja, volumen inyectado, voltaje de

aplicación, tipo de colector, distancia de colector, dando diferentes resultados e hilados. (X.M.

Mo, 2004)

Finalmente las características físicas de un andamio polimérico, pueden ser manipuladas por la

técnica de electrohilado, pero esto no siempre es suficiente. En ocasiones se requiere modificar

superficialmente el andamio para conseguir una mejor adhesión celular, esto se puede lograr

por medio de un recubrimiento por plasma en este caso con polipirrol dopado con yodo (PPy).

Llevándose a cabo reacciones químicas que permiten la modificación superficial del material.

3.7 Polimerización por plasma

El plasma es un gas ionizado considerado el cuarto estado de la materia, presentando

características propias como conducción de la electricidad, campo eléctrico efectivo y oscilación

del plasma.

La polimerización por plasma es un método, que tiene como finalidad generar un deposito

polimérico partiendo de reacciones en el estado gaseoso. En este caso el recubrimiento con

polipirrol puede estimular el crecimiento celular, con la finalidad de generar andamios efectivos

para ingeniería tisular.

Fig. 6 Equipo utilizado en la técnica de electrospinning.

3.8 Síntesis y caracterización del polipirrol

Una de las propiedades de los polímeros sintéticos es que pueden actuar como aislante

eléctrico. El polipirrol (PPy) es considerado como un polímero semiconductor debido a su buena

conductividad eléctrica y a su estabilidad térmica. Esta conductividad puede ser influida por la

presencia de otros elementos y/o compuestos ya sea como dopantes químicos, por

implantación de iones o por complejos químicos metálicos. Así que las propiedades eléctricas

del polipirrol están dadas en función de la polimerización y de la humedad ambiental.

En los últimos años la técnica de polimerización por plasma ha sido utilizada para sintetizar

películas delgadas de polímeros, en donde la ventaja de esta técnica radica en que la película se

obtiene a partir de reacciones en la fase gaseosa y se propaga en la superficie más cercana. El

monómero, reacciona para producir el polímero sin introducir ningún compuesto químico

oxidante. En este caso la oxidación es promovida por el impacto de los electrones libres que

viajan a lo largo del campo eléctrico las cuales colisionan con las moléculas del monómero. (G.

Cruz, 1999) Este tipo de recubrimientos se ha utilizado en andamios para crecimiento celular

con éxito. (R. Olayo, 2008)

De las descripciones anteriores, podemos decir que las características tanto físicas como

químicas del andamio dependerán de las condiciones de síntesis, geometría del reactor, los

elementos implantados, la utilización de algunos disolventes, grosor de la fibra, tamaño del

poro, voltaje aplicado entre otros . Siendo factores que propiciaran una adecuada proliferación

y adhesión celular; además de propiedades mecánicas adecuadas.

3.9 Tipos de cultivos celulares

Se define como cultivo celular al resultado del crecimiento in-vitro de células obtenidas a partir

de organismos multicelulares, se pueden clasificar de acuerdo a su capacidad de adherencia,

esto es, pueden ser en suspensión o adheridos. En general los cultivos en suspensión no

pueden ser muy grandes, mientras que los de adherencia pueden ser en monocapas o de forma

tridimensional utilizando los andamios adecuados.

Cuando el cultivo proviene de células que han sido disgregadas de un tejido original tomado de

un órgano de un animal recién sacrificado, reciben el nombre de Cultivo Primario; cuando éste

cultivo primario es sometido a procesos de transformación que le confiere capacidad ilimitada

de multiplicación, reciben el nombre de Líneas Celulares.

4. Procedimiento experimental

Uno de los objetivos el proyecto fue el desarrollo de un andamio polimérico poroso formado

por microfibras biodegradables y biocompatibles (PLA y PCL) a través de la técnica de

electrohilado, recubiertas con una película de pirrol con yodo utilizando la técnica de

polimerización por plasma, estudiando posteriormente los efectos de la degradación y

biocompatibilidad in vitro con células de cartílago elástico de conejo.

4.1 Electrohilado (Preparación de soluciones, condiciones generales,

recolectores, tratamientos pos-hilados)

Para la construcción del andamio de ácido poliláctico (PLA), se comenzó buscando la

concentración ideal para obtener fibras con la técnica de electrohilado según reportes previos

sobre la técnica su aplicación en crecimiento celular de cartílago estas debían presentar el

aspecto físico mostrado en la figura 7.

Preparación de soluciones

Material : Reactivos:

Balanza analítica Cloroformo (CH-Cl3)

Frasco de cristal Etanol

Agujas distinto cálibre Ácido poli-láctico (PLA)

Jeringas 20 ml. Poli-caprolactona (PCL)

Parafilm

Existiendo 5 factores como: % de la concentración del material, tipos de recolector, tipo de

solvente, temperatura ambiente y calibre de la aguja. Que influyen en su geometría, porosidad

b

Fig.7 a) Fibras obtenidas mediante técnica de electrospinning PLA, voltaje de 25 kV , velocidad de inyección de 0.1 mL/h y a una distancia del colector de 15 cm. (Yin Gui-Bo, 2009) b) Fibras de PLA en dimetofomamide obtenidas mediante la técnica de electrospinning, voltaje de 15 kV, velocidad de inyección de 10µL/min a una distancia del colector de 10 cm. (Chunhui Xiang)

y diámetro de la fibra, siendo importantes para la proliferación y diferenciación celular de

condrocitos, comparando estos, para analizar los beneficios y desventajas que presentan:

Preparación de muestras con cloroformo/cloroformo+etanol:

1. Se preparo una solución de concentración a peso 12% de PLA en cloroformo teniendo 10ml.

de solución, obteniendo una mezcla homogénea y cerrando los frascos con parafilm con el fin

de evitar la evaporación. .

2. Se coloco la solución (CH-Cl3 + PLA) en una jeringa, en el inyector

3. Se prepararon muestras al 7%, 12% y 15% de PLA y con los mismos porcentajes de PLA pero

utilizando como solvente une mezcla 2:1 cloroformo + etanol

Tipos de recolector

Se diseñaron distintos tipos de recolectores, buscaron mejorar la eficiencia de la obtención de

fibra y morfología:

Recolector tambor rotatorio/desplazamiento:

Se trabajo con un tambor rotatorio, con superficie continua el cual nos permitiría cambiar la

superficie y acumular la fibra en capas conforme rota dependiendo el grueso de las capas de la

velocidad de rotación que es ajustable en el equipo. Su cableado tiene un aislamiento reforzado

para evitar la desviación del jet hacia distintos puntos del electrodo objetivo (tambor).

% de la concentración del material (soluto)

•7 % de PLA

• 10 % de PLA

•12% de PLA

•15% de PLA

Tipo de recolector

•Tambor

•Tambor cubierto de teflón

•Tambor con pipetas

•Tambor con elásticos

•Arco

•Dos orejas

Tipo de solvente

•Cloroformo

•Cloroformo / etanol

Temperatura del ambiente

•Sin calentar previamente cámara a 30⁰C

•Calentar el ambiente previamente a 30⁰C

•Aplicar calor durante el experimento

Calibre de la aguja

•22G

•23G

•25G

•30G

CONDICIONES GENERALES

Recolector tambor rotatorio/desplazamiento con pipetas:

Se le realizaron modificaciones al tambor rotatorio con el que contaba el equipo colocándose

alrededor de este una serie de pipetas a una distancia aproximada de 2 cm entre ellas, con el fin

de reducir el contacto entre la fibra y la superficie dando un mayor tiempo de secado a la fibra.

Recolector de dos orejas con desplazamiento:

Utilizando un bloque de madera (5 cm x 5 cm) y alambre de cobre de bajo calibre, se construyó

un recolector que tuviera el aspecto de dos orejas que sirvieran para atrapar sobre estas las

fibras que se fueran formando, colocándose justo al centro del recolector una tierra lineal (fig.

8). La velocidad de desplazamiento lateral (derecha/izquierda) era variable.

Recolector jaula de tambor rotatorio/desplazamiento:

Con el fin de obtener andamios de un tamaño considerable y homogéneos, se retomó la idea

del tambor rotatorio pero ahora en forma de una jaula, con una tierra lineal en el eje del

tambor y aumentando su velocidad. Obteniéndose mejores resultados que posteriormente

serán discutidos.

Tratamiento pos-hilado previo a la polimerización

El material es colocado en el horno a vacio a 42⁰C durante 7 días. Realizando SEM-EDS de

manera comparativa (previo al tratamiento y posterior), midiendo la cantidad de cloro.

4.2 Polimerización por plasma

Material: Reactivos:

Tubo de vidrio pirex Pirrol

Electrodos internos/externos (acero inoxidable)

Yodo

Fig. 8 Recolectores con líneas específicas de recolección, dos orejas con desplazamiento

a b

Bomba de vacío Fuente de radio-frecuencia Medidor de presión Nitrógeno líquido

Procedimiento:

1. Lavar y secar dentro de la estufa el material (tubo vidrio pirex, electrodos

(internos/externos), durante 15 min a 70 ⁰C.

2. Acoplar el reactor de plasma (tubo pirex) en sus 4 puntos de acceso: bomba de vacío,

medidor de presión, el dopante (yodo) y el monómero (pirrol). Midiendo los cambios en

la presión interna del reactor con un sensor pirani en un rango de 10 a 1x10-3 mbar.

3. Iniciar la descarga de iones, prendiendo la fuente de radio-frecuencia cuando la presión

llega a 133.33x10-3 mbar. controlando la potencia a 15 watts. Bajo el principio de que a

menor presión, podemos usar menor potencia y de esta manera conservar la integridad

del monómero y el andamio

4. Aplicando de manera continúa durante 1 hr. pirrol y de manera intermitente en intervalos

de 6 min. yodo sobre los andamios (fig.9).

4.3Caracterización de fibras

La caracterización de las fibras se da buscando su mejor desempeño como andamios para

Ingeniería de Tejidos. Las variables relevantes para esta función son: la porosidad de la muestra

generada por la distribución de las fibras y sus diámetros, su biodegradación e interacción

celular. Los equipos utilizados para la primera evaluación son:

Fig.9 a) Inicio de la polimerización sobre el andamio por plasma b) Aplicación de pirrol/yodo en intervalos de 6min. sobre los

andamios.

Microscopía óptica

Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)

Espectroscopía de Rayos X por Dispersión de Energía (SEM-EDS)

Microscopia Óptica

El análisis de Microscopia Óptica se realizó con un Microscopio marca: Leica, modelo: DMLP,

con aumentos 50X y 100X para fines de comparación entre los materiales, a partir de una fuente

de luz visible con distintos filtros de longitud de onda. El microscopio cuenta con un dispositivo

para obtener la imagen electrónicamente para eso se utilizó una cámara digital:

Microscopia Electrónica de Barrido

Para preparar las muestras se utilizó la técnica de sputtering, recubriendo con oro los

materiales y generando una diferencia de potencial. A partir de una pulverización catódica a

alto vacio e intercambiando partículas de oxígeno por argón. Realizando un recubrimiento de

aproximadamente 10 nm. sobre el material, debido a que estos no eran conductores.

El análisis de Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) se realizó utilizando un microscopio

marca Philips® XL30 sobre las fibras, explorando la superficie y tomando las imágenes

representativas de la muestra.

Espectroscopia de Rayos X por Dispersión de Energía (SEM-EDS)

El SEM-EDS se realizó utilizando un microscopio Philips® XL30 por retro dispersión de electrones

(reflejo de los átomos), a partir de la interacción entre el haz y los átomos, generando una

emisión de rayos X que tiene las características del elemento primario, permitiendo un análisis

elemental de la energía dispersiva de rayos X o espectroscopia EDS, generando un análisis

cuantitativo de la composición elemental presente en la superficie de la muestra. La técnica se

utilizó para establecer la presencia de solvente residual.

4.4 Obtención de las células y cultivo de condrocitos

Para la obtención de células de cartílago elástico auricular y cultivo de condrocitos se utilizaron

los siguientes reactivos y procedimientos:

Reactivos:

PBS (Phosphate Buffer Saline) con Antibiótico-Antimicótico

Tripsina 0.05% - EDTA (0.53 mM) en solución Hank's

Colagenasa Tipo II 2mg/ml en medio DMEM (Dulbecco’s Modified Eagle Medium) con

0.37% NaHCO3, suplementado con Antibiótico-Antimicótico

Medio de cultivo D-MEM con 0.37% NaHCO3, Suero Fetal Bovino al 10% y suplementado

con Antibiótico-Antimicótico.

Procedimiento:

Biopsia de cartílago elástico auricular:

1. Se retiro una biopsia de cartílago elástico auricular utilizando un conejo con las

siguientes características:

Especie: Conejo New Zealand blanco. Sexo: Macho Edad: 2 meses de vida extrauterina Peso: 2.200 Kg

2. El conejo fue tranquilizado con una inyección intramuscular de Acepromacina (5 mg/Kg)

y Ketamina (20 mg/Kg), anestesiando posteriormente con una inyección intravenosa de

Pentobarbital Sódico (40 mg/ml) (fig 10.a y 10.b).

3. Se tomo la biopsia bajo condiciones asépticas de la oreja derecha del conejo realizando

una incisión en la zona dorsal y separando la piel del cartílago. (fig. 10.c)

4. Obteniendo una muestra de aproximadamente 1 cm2, la cual fue transportada al

laboratorio en un tubo falcon con PBS c/ Antibiótico-Antimicótico para ser procesada.

(fig. 10.d y 11.a)

Obtención de cultivo primario de Condrocitos

1. En una campana de flujo laminar y bajo condiciones estériles el cartílago se lavó con PBS

para retirar el exceso de sangre y se coloco en un disco de 100mm x 20mm para

a b

c d

Fig. 10 Biopsia de cartílago elástico auricular a) Preparación del conejo. b) Aplicación de anestesia intravenosa c) Toma de

biopsia en la región dorsal de la oreja derecha. D) Obtención de la muestra de aproximadamente 1 cm2.

disgregarlo mecánicamente en trozos de aproximadamente 2 mm los cuales se

colocaron en 10 ml de la solución disgregadora (Tripsina 0.05% - EDTA (0.53 mM) -

solución Hank's) durante 30 minutos en agitación continua a 37°C, una atmósfera al 5%

de CO2 y humedad saturada. (fig. 11 a y 11.b)

2. Posteriormente se dejo sedimentar el tejido y se decanto el sobrenadante, se agregaron

10 ml de la solución de Colagenasa tipo II y se mantuvo durante 3 horas en agitación

continua a 37°C, una atmósfera al 5% de CO2 y humedad saturada. (fig. 11.c)

3. Ya disgregado el tejido se coloco en un tubo falcon y se centrifugo durante 10 minutos a

2000 rpm, se retiro el sobrenadante y el botón celular se re-suspendió en medio de

cultivo D-MEM con 0.37% NaHCO3, SFB al 10% suplementado con Antibiótico-

Antimicótico, se centrifugo a 2000 rpm x 10 minutos.

4. El botón celular se re-suspendió en 2 ml de medio de cultivo para realizar el conteo

celular en una cámara Neubauer con el colorante vital azul tripano,(fig. 11.d y 11.e) de

esta manera se obtuvieron aproximadamente 4x106celulas, las cuales fueron cultivadas

en discos de 150 mm x 25 mm a una densidad de 50,000 cel/ml en medio de cultivo D-

MEM con 0.37% NaHCO3, SFB al 10% suplementado con Antibiótico-Antimicótico para

lograr su proliferación.(fig. 11.f)

a b c

d e f

Fig. 11 Obtención de cultivo primario de condrocitos. a) Transportación de muestra al laboratorio en tubo falcon. b) Disgregación

mecánica de la muestra. c) Proceso de decantación y agitación continua a una temperatura de 37⁰C. d) Botón celular marcado con

azul de tripano. e) Cámara Neubauer f) Discos de cultivo con células para expansión celular de condrocitos.

4.5 Pruebas celulares

Se dejo para expansión y proliferación celular el cultivo durante 3 semanas para obtener una

población celular confluente lo cual permitió tener suficiente muestra para realizar los

experimentos.

In vitro:

Procedimiento:

1. Se re suspendieron las células y cultivaron a una temperatura de 37⁰C, con 5% de CO2 y

humedad saturada. Para expansión celular sobre las membranas.

2. Cambiando el medio celular cada tercer día durante 30 días. Evaluando sobre las

membranas la proliferación celular el día 3, 7, 10 y 30 de cultivo; con Microscopia

Electrónica de Barrido y Pruebas de Viabilidad, usando la reducción metabólica del

Bromuro de 3-(4,5-dimetiltiazol-2ilo)-2,5-difeniltetrazol (MTT), realizada por la enzima

mitocondrial succinato-deshidrogenasa.

In vivo:

Procedimiento:

1. Se re suspendieron las células y cultivaron a una temperatura de 37⁰C, con 5% de CO2 y

humedad saturada. Para expansión celular sobre las membranas, cambiando el medio

celular cada tercer día durante 7 días.

2. Procediendo al explante después de 30 días, evaluando con Microscopia Electrónica de

Barrido y Pruebas de Viabilidad (MTT); la proliferación celular en las membranas.

4.6 Pruebas de viabilidad (MTT)

Para evaluar la proliferación celular sobre los membranas, se siguió el siguiente procedimiento:

1. Adicionar 10% de MTT (100 ml.) del total de medio de cultivo durante 4 hrs. protegido

de la luz, a 37⁰C.

2. Retirar el medio MTT, lavar con PBS, una vez y solubilizar con 250 ml. de alcohol ácido,

10.4 ml. de HCl (Ácido Clorhídrico), en 100 ml. de isopropanol.

3. Colocar en tubos Eppendorf y cargar 30 ml. para leer la absorbancia entre 540 a 600 µm.

es un espectrofotómetro, con agitación de 120 rev/min.

4.7 Deshidratación y Punto Crítico de muestras biológicas para observación en

Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)

Previo a la observación de muestras biológicas en Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) es

necesario preparar la muestra.

Procedimiento:

1. Lavar las muestras con PBS c/Antibiótico-Antimicótico y fijar las muestras con

Glutaldehido al 2.5% para SEM durante 30 min.

2. Retirar el fijador y lavar nuevamente dos veces con PBS c/Antibiótico-Antimicótico

3. Iniciar proceso de deshidratación con alcoholes graduales, adicionando alcohol al 50% y

dejar reposar durante 5 min. y posteriormente retirar.

4. Repetir el proceso anterior pero ahora con alcohol al 60%, 70%, 80%, 90% y alcohol

absoluto, todos estos con intervalos de 5 min.

5. Colocar las muestras en el equipo de punto crítico (fig. 12) en una celda y bajar la

temperatura a -15⁰C, inyectando CO2 (Dióxido de Carbono) a la muestra y sacando este

posteriormente, repitiendo este proceso 3 veces para desecar la muestra.

6. Y finalmente calentar la celda 42⁰C, retirando la muestra.

5. Resultados

Dada la dependencia de los diferentes factores como la temperatura, el tipo de recolector y la

concentración de la solución. Se evaluaron los resultados cuando se varían estos en nuestro

equipo para diferentes sistemas polímero-solvente. Además se discute los resultados de las

pruebas celulares.

Fig. 12 Equipo de punto crítico

Calentando el ambiente previamente

• PLA 10%

• Recolector tambor

Sin calentar el ambiente previamente

• PLA 10%

• Recolector tambor

5. 1 Influencia de la temperatura en el electrohilado

Para analizar el impacto de la temperatura se realizó un primer experimento, preparando las

muestras a una concentración de 10% de PLA en cloroformo, utilizando el recolector tambor.

Comparando el aspecto de las membranas obtenidas, a 21⁰C (temperatura ambiente) y

precalentando el ambiente dentro de la cámara de electrohilado a una temperatura de 30⁰C.

La membrana obtenida a temperatura ambiente (fig. 13.a) presenta un aspecto plastificado,

debido a la cantidad de solvente presente cuando las fibras caían sobre el tambor, al no ser

evaporado el solvente en su totalidad durante la trayectoria parabólica del inyector al tambor.

Esto se puede ver en una revisión a simple vista (fig. 13.c) y con Microscopía Óptica, donde se

observa una nula porosidad de las membranas debido a que las fibras se fusionaron, al entrar

en contacto con el recolector.

Cuando se establece una temperatura de 30⁰C, dentro de la cámara de electrohilado, la

membrana obtenida presenta una mayor porosidad a simple vista (fig. 13.b) y con Microscopia

Óptica debido a que se da una mayor evaporación del solvente durante la trayectoria del

inyector al tambor (fig. 13.d). Esto se debe principalmente a que el punto de ebullición del

cloroformo es de 61⁰C, por lo que el incremento de la temperatura dentro de la cámara

favorece la evaporación del solvente al igual que, la extracción de vapores liberados dentro de

la cámara, por medio de una manguera conectada a un extractor de aire.

Este experimento nos permitió observar que el control de la temperatura es un factor de suma

importancia en la evaporación del solvente, además la geometría del recolector afecta la

morfología de la fibra por lo que se analizó la influencia que tendrían los distintos tipos de

recolectores sobre los andamios.

Fig. 13 Microscopía óptica (5X) a) Muestra de PLA 10% sin calentar el ambiente, se observa aspecto plastificado y nula porosidad b) PLA 10%, calentando previamente el ambiente de la cámara de electrohilado. Imagen macroscópica de PLA 10% c) Sin calentar el ambiente. d) Calentando el ambiente a 30⁰C.

5.2 Influencia de los Recolectores

Para evaluar el uso de distintos tipos de recolectores y como favorecen en la formación de

fibras , se estableció como experimento, el trabajar bajo las siguientes condiciones : precalentar

el ambiente a una temperatura de 30⁰C , a concentración de 15% de PLA con

cloroformo/etanol cambiando la geometría del recolector

La membrana obtenida con el recolector de tambor rotatorio/desplazamiento con pipetas,

presentó un aún un aspecto con poca porosidad en las zonas de contacto con las pipetas esto

nuevamente por la cantidad de solvente presente cuando las fibras caían sobre las pipetas, al

no ser evaporado el solvente en su totalidad durante la trayectoria del inyector al

tambor/pipetas. Mientras que en los espacios generados entre las pipetas se la presencia de

Recolector de tambor rotatorio/ desplazamiento con pipetas

• PLA 15%

• Precalentando el ambiente (30⁰C)

Recolector orejas con desplazamiento

• PLA 15%

• Precalentando el ambiente (30⁰C)

c d

fibras bien formadas y además la porosidad, debido que el material tenía un mayor tiempo de

secado al no entrar en contacto con la superficie del tambor (fig. 14.a).

De lo que concluimos que es mejor tener generar recolectores con líneas especificas de

recolección para la captación de fibras. Esto se aplico en el recolector de orejas con

desplazamiento, donde es posible observar con Microscopía óptica (fig. 14.b) la presencia de

fibras y porosidad de las membranas. Al evitar la fusión de las fibras cuando entran en

contacto con una superficie plana, permitiendo una mejor distribución y secado de las fibras.

5.3 Influencia de la concentración del polímero

Para analizar los efectos de la concentración y el aspecto morfológico de las fibras, se estableció

como experimento; precalentar el ambiente de la cámara de electrohilado a 30⁰C, utilizando el

recolector dos orejas con desplazamiento y como solvente del sistema cloroformo/etanol.

La concentración del polímero se modificó en un intervalo de 7-15% de PLA, se utilizó la mezcla

cloroformo/etanol para bajar la calidad del solvente y buscar que la muestra secara en un tiempo

más corto.

En la concentración de 7%, el andamio generado presentaba pequeños grumos sobre las fibras,

estos como consecuencia del solvente remanente cuando se formo la fibra, por lo que se decidió

aumentar la concentración para disminuir la cantidad de solvente.

La concentración se aumento a 15%, incrementando la viscosidad de la solución. Si se considera la

ecuación de Poiseuille que nos da el cambio de presión necesaria para obtener un gasto podemos

ver que esta depende de la geometría de la aguja y la viscosidad. La relación es la siguiente:

Fig. 14 Microscopia óptica 5X. a) Muestra generada con el recolector pipetas con desplazamiento, el lado derecho de la

imagen corresponde al espacio generado entre las dos pipetas se observa la presencia de fibras, mientras que el lado

izquierdo corresponde a la región sobre la pipeta. b) Fibras obtenidas con el recolector orejas con desplazamiento.

Concentración de PLA 7%

• Recolector dos orejas con desplazamiento

• Precalentando el ambiente (30⁰C)

Concentración de PLA 12%

• Recolector dos orejas con desplazamiento

• Precalentando el ambiente (30⁰C)

Concetracion de PLA 15%

• Recolector dos orejas con desplazamiento

• Precalentando el ambiente (30⁰C)

Donde:

Q= Caudal volumétrico

µ= Viscosidad

L= Longitud del tubo

R=Radio del tubo

El aumento de la viscosidad a una concentración al 15%, provocó que se necesitara una presión

mayor que la que el equipo podía manejar. Por lo tanto fue necesario aumentar el radio de la

aguja lo que dio como resultado que el diámetro de la fibra también aumentara y se formaran

nuevamente grumos y colapsaran las fibras en algunos puntos.

Con la concentración al 12%, la viscosidad disminuyo y fue posible utilizar la misma aguja que

con el 7%, la fibra seco más rápidamente y se obtuvo limpia y sin grumos

5. 4 Andamios de PLA, PCL y combinados

Una vez optimizadas las variables para obtener fibras sin grumos se utilizaron las condiciones

para generar andamios de PLA, PCL y combinado. Las condiciones fueron: concentraciones de

12% del polímero, precalentando ambiente de la cámara a 30⁰C, utilizando como solvente

cloroformo/etanol, y el recolector jaula de tambor rotatorio/desplazamiento.

En la figura 15 muestra las imágenes de SEM obtenidas de los tres tipos de fibras. En la figura

15.a es posible ver como las fibras de PLA presentan un diámetro no muy homogéneo que

fluctúan entre 2.5 y 15 micrones. En el caso del PCL (fig. 15.b) las fibras presentan un diámetro

menor, con una distribución uniforme, formando un material poroso, con poros de mayor área

en comparación con el PLA por esta razón se decido que al combinar ambos materiales se

generaría un material con fibras combinadas y con una porosidad similar a la del PLA. Puesto

que los tiempos de biodegradación son similares al ser el PCL de diámetro menor esta se

degradara primero y en general nos dará un tiempo de biodegradación diferente en el material

combinado (fig. 15.c).

5.5. Porosidad de los andamios

Con Microscopía Electrónica de Barrido se identifico la porosidad de los distintos materiales,

estableciendo umbrales de intensidad para cada uno, con el fin de observar el área de los

poros, formados por las fibras de los distintos materiales.

Se segmentaron las imágenes en: características de interés que corresponde a la porosidad del

material (rojo) y a las fibras en color gris. Se obtuvo este umbral, en un punto en el cual fuera

posible identificar tanto fibras como poros. En la figura 16.a, el 19.53% corresponde a la

porosidad de la muestra y el 80.47% a la distribución y orientación de las fibras de PLA.

Fig.15 SEM (200X) a) Red tridimensional de PLA 12%, generada por técnica de electrospinning. b) PCL 12%. c) Andamio

polimérico generado a partir de PLA 12% y PCL 12% en una relación 70:30

Fig. 16 La imagen de la izquierda corresponde a la segmentación de la imagen de SEM, de color rojo se identifica la porosida d y

en gris las fibras de PLA al 12%. Mientras que del lado derecho se observa el umbral de la segmentación realizada

La figura 17.a corresponde al histograma de la Poli-caprolactona (PCL) identificando una

porosidad del 44.10% y el 55.85% restante a las fibras. En este caso al combinar ambos

materiales PCL/PLA, tenemos que el 90.24% de lo observado en el histograma corresponde a las

fibras, formando una mayor cantidad de poros con una menor área, a consecuencia de la

distribución de las fibras gruesas y delgadas de los materiales al hilarlo. (fig. 17.b)

Para determinar la porosidad, se efectuó una conversión binaria de las imágenes, por medio del

programa ImageJ, estableciendo un umbral que permitió convertir la imagen, en objetos y

fondo. Se realizó de manera automática a través de un umbral de prueba y calculando el

promedio de los pixeles por debajo de este umbral y por encima. Calculando el promedio de

ambos puntos, este promedio se compara con el valor del umbral y si no son iguales se

incrementa el umbral nuevamente, repitiendo el proceso. Este incremento se detiene cuando

se cumple la condición:

Estableciendo la porosidad de color negro (256) y como fondo las fibras en blanco (0). Se utilizó

el comando de analizador de partículas, el cual identifica y da las medidas de objetos, realizando

un escaneo de toda la imagen, detectando los bordes de los poros, mediante un cambio de

umbral de 0 a 256 o inversamente. Delimitando la forma y tamaño de estos.

Al analizar la imagen de PLA, se observa cómo están delimitados los poros, mientras que un

contador identifica el total de poros así como la ubicación, los resultados son desplegados en

una lista, indicando el número de poro y área. Con un total de 1626 poros, con áreas en un

intervalo de 0.824 µm2. a 2028.611µm2. y un área promedio de poro de 26.43 µm2. (Fig. 18).

Fig. 17 Umbral de segmentación a) PCL 12%. b) Combinado de PLA 12% y PCL 12%

a b

Fig. 18 PLA 12%. a) Conversión binaria de imagen de SEM (200X). b) Lista de resultados del analizador de partículas, identificando

ubicación y área de los poros del PLA.

En la figura 19.a la Poli-caprolactona (PCL), reporta un promedio de área de 120.300 µm2. y el

intervalo va de 0.824 µm2. a 10137.359 µm2., en este caso al ser más delgada la fibra, el área

promedio del poro se incrementa. Por lo tanto en la muestra donde son combinados PLA/PCL

se obtiene fibras gruesas y delgadas, aumentando la cantidad de poros y disminuyendo el área

promedio a 17.655 µm2. (fig.19.b)

La distribución de los poros, se analizó en histogramas, en el eje vertical se representaron las

frecuencias y en el eje horizontal los valores de área. Estableciendo el rango y longitud de clase

del área de los poros, con las siguientes relaciones (ver tabla 1):

a

b

a b

Fig. 19 Lista de resultados del analizador de partículas a) PCL 12%. b) Combinación de PLA y PCL

Los histogramas están normalizados por medio de la siguiente expresión y la tabla 2 reporta los

valores normalizados.

Material PLA PCL Combinado

Intervalo Frecuencia Normalización Frecuencia Normalización Frecuencia Normalización

0.824 646 0.040639968 623 0.07402921 1001 0.059965679

3.324 174 0.010946369 97 0.01152622 240 0.014377386

5.825 115 0.007234669 52 0.006179 154 0.009225489

8.325 96 0.006039376 31 0.00368364 99 0.005930672

10.825 78 0.004906993 25 0.00297067 73 0.004373121

13.326 56 0.003522969 27 0.00320833 54 0.003234912

15.826 33 0.002076035 18 0.00213889 44 0.002635854

18.327 21 0.001321113 16 0.00190123 37 0.002216514

20.827 31 0.001950215 9 0.00106944 37 0.002216514

23.327 29 0.001824395 11 0.0013071 28 0.001677362

25.828 31 0.001950215 7 0.00083179 27 0.001617456

28.328 18 0.001132383 19 0.00225771 21 0.001258021

30.829 21 0.001321113 15 0.0017824 20 0.001198115

33.329 19 0.001195293 4 0.00047531 15 0.000898587

35.829 15 0.000943652 7 0.00083179 11 0.000658964

38.33 15 0.000943652 11 0.0013071 11 0.000658964

40.83 7 0.000440371 12 0.00142592 10 0.000599058

43.33 15 0.000943652 8 0.00095062 10 0.000599058

45.831 6 0.000377461 6 0.00071296 13 0.000778775

48.331 8 0.000503281 3 0.00035648 7 0.00041934

50.832 6 0.000377461 8 0.00095062 13 0.000778775

53.332 13 0.000817832 5 0.00059413 4 0.000239623

55.832 6 0.000377461 4 0.00047531 6 0.000359435

Material Ácido Poli-láctico Poli-caprolactona Combinado

Dato Mayor

Dato Menor

Rango

Longitud de clase

Tabla 2. Frecuencia de los materiales y normalización

Tabla 1. Longitud y clase del PLA, PCL y PLA/PCL

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.82

43.

324

5.82

58.

325

10.8

2513

.326

15.8

2618

.327

20.8

2723

.327

25.8

2828

.328

30.8

2933

.329

35.8

2938

.33

40.8

343

.33

45.8

3148

.331

50.8

3253

.332

55.8

3258

.333

60.8

3363

.333

65.8

3468

.334

70.8

3573

.335

µm2

Normalización de área de los poros

PLA

PCL

Combinado

58.333 8 0.000503281 5 0.00059413 9 0.000539152

60.833 5 0.000314551 4 0.00047531 12 0.000718869

63.333 7 0.000440371 3 0.00035648 4 0.000239623

65.834 8 0.000503281 0 0 5 0.000299529

68.334 7 0.000440371 1 0.00011883 3 0.000179717

70.835 7 0.000440371 3 0.00035648 7 0.00041934

73.335 2 0.00012582 3 0.00035648 4 0.000239623

La grafica 1 muestra la distribución normalizada de cada uno de los materiales, en la Poli-

caprolactona (PCL) la porosidad del material es generada a partir de espacios muy grandes y

zonas de muchas fibras que nos dan espacios pequeños. Al contrario del Ácido Poli-láctico (PLA)

donde hay una distribución más homogénea, con una menor cantidad de espacios pequeños

como se observa en la gráfica. Finalmente al combinar ambos materiales aumenta el número

Grafica 1. Normalización PLA (rojo), PCL (verde) y combinado PLA/PCL (morado)

de espacios pequeños y se da una distribución intermedia de los poros entre ambos polímeros

(combinado).

5.6 Tratamiento pos-hilado

Sobre las membranas se evaluó la cantidad de solvente remanente con Espectroscopia de Rayos

X por Dispersión de Energía (SEM-EDS), identificando los elementos y el porcentaje de estos

presentes en las membranas (ver tabla 3):

De la tabla se puede destacar que la muestra contiene cloro (0.116208%), esto es consecuencia

de que solvente no se evaporo totalmente durante su trayectoria al recolector. Dado que el

cloro puede ser tóxico para las células, se le dio un tratamiento a la muestra que consistió en

dejar durante 7 días las muestras a vacio en un horno a 42⁰C.

En la tabla 3 se puede observar el análisis elemental de SEM-EDS para la muestra después de

este tratamiento. Como se puede ver no se vieron cantidades significativas de silicio (Si) y cloro

(Cl) el nitrógeno no está presente porque no se le había dado el tratamiento con plasma.

La figura 22 muestra las graficas SEM-EDS de las muestras con tratamiento y sin tratamiento.

Elemento Línea Espectro % Elemental % Atómico

Carbono (C) K ED 70.6688 75.81108

Nitrógeno (N) 8.683216 7.98766

Oxígeno (O) K ED 19.5015 15.70577

Silicio (Si) K ED 0.826747 0.379286

Cloro (Cl) K ED 0.319745 0.116208

Elemento Línea Espectro % Elemental % Atómico

Carbono (C) K ED 79.12671 83.46962

Oxígeno (O) K ED 20.87329 16.53038

Tabla 3. SEM-EDS. Porcentaje de los elemento previo al tratamiento pos-hilado de PLA/PCL al 12%

Tabla 4. SEM-EDS. Porcentaje de los elementos posterior al tratamiento pos-hilado de PLA/PCL al 12%

5. 7 Polimerización por plasma

La figura 21 obtenida por SEM-EDS se identifico la presencia del elemento Yodo (I) debido al

recubrimiento de pirrol/yodo sobre las membranas con la técnica de polimerización por plasma.

Fig.20 Graficas de SEM-EDS. La gráfica de la izquierda muestra la presencia de los elementos como el Si, N y Cl previo al

tratamiento pos-hilado. Mientras que a la derecha se observan los resultados del calentar el ambiente a 42⁰C durante 7 días.

Fig. 21 Grafica de SEM-EDS . Muestra la presencia de yodo (I) a consecuencia de la polimerización de polipirrol

Para la polimerización por plasma se utilizó una potencia a 15 watts con una fuente de radio-

frecuencia, aplicando de manera continúa durante 1 hr. pirrol y de forma intermitente yodo (I)

en intervalos de 6 min. Observando sobre los materiales lo siguiente:

El PCL, mostró cambio en su forma durante la polimerización al comprimirse. (fig. 22.b)

El PLA, era frágil y quebradizo. Sin generar cambios en su forma (fig. 22.a).

Así que la combinación de ambos polímeros, nos permitió mejorar las características de

resistencia, maleabilidad y ductilidad del material fig. 22.c).

Todos los materiales presentaron cambios de coloración en la superficie, por el pirrol

aplicado durante la polimerización (fig.22).

5.8 Pruebas in vitro con membranas PLA/PCL: Viabilidad y Microscopia Electrónica

de Barrido

A partir de una biopsia de cartílago elástico auricular, se obtuvo el cultivo primario, iniciando la

expansión con 4x106 células, cultivadas en discos de 150 mm x 25 mm a una densidad de 50,000

cel/ml en medio de cultivo DMEM con 0.37% NaHCO3, SFB al 10% suplementado con

Antibiótico-Antimicótico durante 3 semanas.

Las células se re-suspendieron y se cultivaron sobre las membranas, para evaluar su viabilidad

(MTT) y distribución celular (SEM) en un total de 30 días. Evaluando el día 3, 7, 10 y 30 después

a b c

Fig.22 Material polimerizado por plasma con pirrol/yodo. a) PLA 12%. b) PCL 12%. c) PLA/PCL 12%

de sembrar. Durante la prueba de MTT se compararon los resultados de viabilidad celular de las

membranas con dos controles:

Control 1 Alcohol ácido

Control 2 Membrana sin células

Muestras 1 y 2 Membranas con células (Combinado)

Día Control 1 Control 2 Muestra 1 Muestra 2 Promedio de muestras

Desviación Estándar

3º 0.281 0.322 0.450 0.411 0.4305 0.02757716

7º 0.240 0.300 0.498 0.549 0.5235 0.03606245

10ª 0.229 0.361 0.777 0.800 0.7585 0.01626346

30º 0.267 0.234 0.757 0.809 0.783 0.03676955

-0.05

0.05

0.15

0.25

0.35

0.45

0.55

0.65

0.75

0.85

3 8 10 30

Ab

sorb

anci

a

Dias de cultivo

Viabilidad de las membranas

Sin/células

Con/celulas

Tabla 5. Absorbancia de los controles y las membranas con células. Pruebas in-vitro

Grafica 2. Viabilidad de las membranas (MTT) pruebas in-vitro

a c b

La tabla 5 y la grafica 2 muestran los resultados de la proliferación celular. Se puede observar

un incremento en la viabilidad de las membranas, indicando que la combinación de ambos

materiales PLA y PCL propicia un ambiente para la proliferación celular.

La figura 23 muestra la imagen de SEM del control 2 (membranas sin células) y de las

membrana con células a los 7 y 30 días. Se observa la presencia de algunas células de aspecto

circular a los 7 días (fig. 23.b) y una confluencia importante sobre las membranas a los 30 días

de sembrado (fig. 23.c).

5.9 Implantación de membranas en pruebas in-vivo

Se cultivaron sobre las membranas células del cultivo primario, proliferando durante una

semana, para implantación en conejo bajo el siguiente procedimiento:

1. Se tranquilizó el mismo conejo, al cual se le había hecho la biopsia de cartílago elástico

auricular, con una inyección intramuscular de Acepromacina (5 mg/Kg) y Ketamina (20

mg/Kg), anestesiando posteriormente con una inyección intravenosa de Pentobarbital

Sódico (40 mg/ml).

2. Se realizó la implantación del material en la zona dorsal del conejo bajo condiciones

asépticas, realizando una incisión y separando la piel a nivel subcutáneo para la

implantación de los materiales.

3. Se colocaron 5 muestras de PLA/PCL (combinado) de aproximadamente 1 cm2, sobre las

cuales se había iniciado la proliferación celular del cultivo primario una semana antes.

Las membranas fueron cubiertas con una maya de vycril antes de implantarlas (fig. 24.a

y 24.b).

Fig. 23 Imágenes de SEM a) Membranas sin células (control 2) b) Membranas a los 7 días de cultivos. c) Membranas a 30 días de cultivo.

4. Suturando la incisión (fig. 24.c) y aplicando Bactrovel® aerosol sobre la herida, para

favorecer la cicatrización debido a su capacidad hemostática de alta adherencia y

antimicrobiana (fig. 24.d)

5.10 Explante de membranas

Se retiro el material del dorso del conejo, 30 días después de la implantación. Para esto se

tranquilizó el animal con una inyección intramuscular de Acepromacina (5 mg/Kg) y Ketamina

(20 mg/Kg), anestesiando posteriormente con una inyección intravenosa de Pentobarbital

Sódico (40 mg/ml).

c d

a b

Fig. 24 Implantación de material pruebas in-vivo a) Implantación de andamios en la región dorsal del conejo a nivel subcutáneo.

b) Muestras de PLA/PCL de aproximadamente 1 cm2 cubiertas de malla de vycril. c) Incisión suturada. D) Aplicación de

Batrovel® para favorecer la cicatrización de la herida.

Tabla 6. Absorbancia. Pruebas in-vivo

Separando la piel y retiraron las 5 membranas que fueron transportadas al laboratorio en un

tubo falcon con PBS c/Antibiótico-Antimicótico para ser procesada. (fig.25)

A partir del explante de las membranas del conejo se evaluó su viabilidad (MTT) y distribución

celular (SEM) a los 30 días del implante. Durante la prueba de MTT se reporto (ver. Tabla 6) la

viabilidad promedio de las muestras con células (1 y 2) y del control 2 (membranas sin células).

Se corroboro con la imagen n obtenida con SEM la presencia de células sobre las membranas.

Día Control 1 Control 2 Muestra 1 Muestra 2 Promedio de muestras

Desviación Estándar

30º 0.239 0.223 0.757 1.30 1.0285 0.38395898

Fig. 25 Explante de membranas pruebas in-vivo a) Incisión en la misma región dorsal, 30 días antes. b) Membranas con

irrigación y sin rechazo aparente. c) Crecimiento celular sobre las membranas. D) Membranas retiradas del conejo sin aparente

degradación del material.

a b

d c

6. Conclusiones Se diseño un sistema polímero-solvente que permitiera la obtención de andamios por

electrohilado de PLA, PCL y la combinación de los polímeros PLA/PCL. Se evaluaron los distintos

factores que propicia la formación de fibras por electrohilado, siendo las mejores condiciones:

el incremento de temperatura dentro de la cámara de electrohilado a 30⁰C, la concentración al

12 % del polímero, con combinación de solvente etanol/cloroformo y el recolector de tambor

jaula rotatorio/desplazamiento, con líneas específicas de recolección de fibras. Estos factores

favorecen la formación de andamios útiles para la Ingeniería de Tejido.

Se analizaron las características de porosidad de los materiales. Las imágenes de SEM

reportaron que la combinación de ambos materiales nos generó un material con fibras

combinadas y una porosidad homogénea. Como consecuencia de la distribución de la Poli-

caprolactona (PCL), donde la porosidad del material es generada a partir de espacios muy

grandes y zonas de muchas fibras que nos dan espacios pequeños. Al contrario del Ácido Poli-

láctico (PLA) donde hay una distribución más uniforme, con una menor cantidad de espacios

pequeños. Por lo tanto las pruebas se hicieron en el material combinado que tienen una

porosidad promedio de 18 µm2, la cual es adecuada para la Ingeniería de Tejidos.

El tratamiento pos-hilado se dio con el fin de retirar el solvente remanente en los andamios,

indicando la presencia del elemento Cloro con SEM-EDS. Esto es consecuencia de que el

solvente no se evaporaba en su totalidad durante su trayectoria al recolector, siendo el cloro

tóxico para las células. Se le dio un tratamiento pos-hilado a las membranas durante 7 días en

un horno a vacio a 42⁰C. Reportando los resultados después del tratamiento donde no se

encontró la presencia de cloro.

Fig. 26 Imagen SEM. Membrana a los 30 días de implantación en conejo

Se modificaron superficialmente los materiales por medio polimerizaron en un reactor por

plasma, recubriendo con una película delgada de pirrol/yodo su superficie. Con el fin de

favorecer la proliferación celular sobre los andamios. Observando que la combinado de ambos

materiales PLA/PCL nos da mejores características de resistencia y maleabilidad del material.

Se decidió realizar pruebas celulares en los andamios (PLA/PCL) a partir de un cultivo primario

con fin de evaluar la viabilidad y proliferación celular de los materiales. De manera in-vitro los

resultados de MTT reportaron un buen desempeño en la viabilidad de los andamios, indicando

que el andamio con la combinación de los dos polímeros (PLA/ PCL) y el tratamiento de plasma

propicia un ambiente para la proliferación celular. Las imágenes de SEM obtenidas a los 7 y 30

días de sembrado; destacan la presencia de algunas células de aspecto circular a los 7 días,

confluyendo a los 30 días.

Se realizaron pruebas in vivo del mismo animal donde se obtuvo el cultivo primario,

implantando un andamio sobre el cual ya se tenían 7 días de crecimiento celular, el andamio fue

retirado 30 días después de su implantación, realizando pruebas de MTT y SEM. Se reporta

viabilidad de los andamios y confluencia celular. No se observa biodegradación por parte del

material implantado, en comparación con estudios previos realizados en Acido poli-glicólico

(PGA) en pruebas in-vivo.

7. Bibliografía

Bhardwaj Tajinder, P. R. (2001). Effect of material geometry on cartilagenous tissue formation in vitro .

Biomaterials , 190-200.

Bonzani Lan, G. J. (2006). Novel materials for bone and cartilage regeneration. Current opinion in

Chemical Biology , 568-575.

Chung Cindy, B. J. (2008). Engineering Cartilage Tissue. Advanced Grug Delivery Reviews , 243-263.

Chunhui Xiang, M. W. (s.f.). Nanocomposites Fibers Electrospun from Biodegradable Polymers.

Dobrila Nesic, R. W. (2006). Cartilage tissue engineering for degenerative joint disease. Advanc Drug

Delivery Reviews , 300-326.

G. Cruz, J. M. (1999). Films obtained by plasma polmerization of pyrrole. Thin solid films , 119-126.

Garcia, D. M. (2008). Materiales macroporosos biodegradables basados en quitosano para ingeniería

tisular.

Geneser, F. (2003). Tejido conectivo. En F. Geneser, Histología (págs. 263-267). España: Editorial Médica

Panamerica.

Kuo Wen Hung, Y. D.-L. (2005). Minimizing the makespain in a single machine scheduling problem with a

time base learning efect. Information Processing letters , 64-68.

Pelttari Karolina, A. W. (2009). Do we really need cartilage tissue engineering? Review article: Medical

intelligence , 602-609.

Piña, B. M. (2009). Física en la medicina. Recuperado el 20 de Mayo de 2010, de La ciencia para todos:

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/37/htm/fis.htm

R. Olayo, C. R. (2008). Tissue spinal cord response in rats after implants of polypyrrole and polyethylene

glycol obtained by plasma. Springer Science Business Media , 817-826.

Raghunath J. Rollo J., S. K. (2007). Biomaterials and scaffold design: Key to tissue engineering cartilage.

Biotechnology and Applied Biochemistry , 73-84.

Soo-Hong Lee, H. S. (2007). Matrices and scaffolds for delivery of bioctive molecules in bone and

cartilage tissue engineering. Advance Drug Delivery Reviews , 339-360.

Temenoff J., M. A. (2000). Review: Tissue engineering for regeneration of articular cartilage. Biomaterials

, 431-440.

Vial Ximena, A. F. (2009). Novel Biomaterials for Cartilage Tissue Engineering. Current Rheumatology

Reviews , 51-57.

W. Gamboa, O. M. (2007). Producción de micro y nano fibras a partir de la técnica de "electrospinning"

para aplicaciones farmacologicas. VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería, Habana .

Wang Dong-An, V. S. (2007). Multifuctional chondroitin sulphate for cartige tissue-biomaterial

integration. 1-8.

Woodfield T.B.F, M. J. (2004). Design of porous scaffols for cartilage tissue engineering using a three-

dimensional fiber-deposition technique. Biomaterials , 4149-4161.

X.M. Mo, C. X. (2004). Electrospun P(LLA-CL) nanofiber:a biominetic extracelular matriz for smooth

muscle cell and endothelial cell proliferation. Biomaterials , 1883-1890.

Yin Gui-Bo, Z. Y.-Z.-D. (2009). Study of the electrospun PLA/silk fibroin-gelatin composite nanofibrous

scaffolds for tissue engineering. Journal Biomedical Materials Research .

Yusihiko, T. (2008). Biomaterial Technology for tissue engineering applications. Journal of Royal Society

Interface , 1-15.