diseño de una metodología de preparación de un adhesivo
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Diseño de una metodología de preparación de un adhesivo con
potencial uso en fracturas conminutas en un ambiente quirúrgico
Echeverri Delgado, J.1, Jiménez Otero J.A.12,
1Departamento de Ingeniería Química, 2Facultad de Administración,
Universidad de los Andes, Colombia
Resumen
En la Universidad de los Andes se viene desarrollando un esfuerzo conjunto con el fin de diseñar
un adhesivo para huesos capaz de ser utilizado en el tratamiento de fracturas conminutas. El
objetivo del presente estudio consiste en diseñar una metodología de preparación para el adhesivo
en un ambiente de cirugía, que permita obtener un producto con propiedades similares a las
alcanzadas en el laboratorio para su aplicación en un modelo animal. Durante la investigación se
evaluó el efecto de variar la geometría del agitador, la velocidad de agitación y el diámetro del
agitador utilizado en la preparación del adhesivo en sus propiedades reológicas, de acuerdo con
una prueba reológica de barrido de tiempo, y mecánicas (adhesividad, cohesividad y dureza),
según la metodología del perfil de textura (TPA). Además, se estudió también el efecto de
adicionar un agente estabilizante a la segunda solución precursora. Los resultados obtenidos
permiten concluir que el cambio en la geometría del agitador por una geometría convencional de
una batidora es la variable que mayor efecto tiene en las propiedades. No obstante, cambiar la
velocidad también reduce la adhesividad en un 39% y el diámetro en un 47%. Adicionalmente,
se determinó que la goma xantana puede utilizarse como agente estabilizante para así lograr el
almacenamiento de la segunda solución precursora y reducir el tiempo de preparación en cirugía.
1. Introducción
De acuerdo con las limitaciones que existen en los tratamientos para fracturas conminutas, en la
Universidad de los Andes se ha desarrollado un trabajo conjunto entre las facultades de Ingeniería,
Medicina y Ciencias para la producción de un adhesivo como método alternativo capaz de fijar
pequeños fragmentos de hueso para ser utilizado en este tipo de complicaciones. Este adhesivo es
un hidrogel a base de quitosano mezclado con carbonato de calcio, hidroxiapatita y glutaraldehido
[1]. El objetivo del proyecto es desarrollar un producto que sea biodegradable, esterilizable,
biocompatible, económicamente viable y fácil de preparar en un ambiente quirúrgico. Hasta el
momento, con el adhesivo actual se han conducido diversas pruebas in vitro y ex vivo y el
siguiente paso es realizar un modelo animal, para lo cual se necesita estandarizar un método de
preparación del adhesivo en ambiente quirúrgico.
El quitosano es un biomaterial utilizado en la regeneración de tejidos [2]. Este material tiene
varias ventajas debido a sus propiedades químicas que le permiten sustituir injertos óseos y ser
aplicado en ortopedia. Es un polímero biodegradable, biocompatible y no tóxico. Además de esto,
el quitosano es el polímero natural preferido en ingeniería de tejido óseo, ya que, tiene una
superficie hidrofílica que le permite una mayor adhesión celular y proliferación, favorece el
crecimiento celular y posee propiedades antibacterianas [3]. A pesar de lo anterior, el quitosano
es muy flexible, inestable y sus propiedades mecánicas no son tan resistentes como las de un
hueso normal [4].
Dado lo anterior, es necesario adicionar otros componentes. En primer lugar, la hidroxiapatita
tiene la capacidad de promover y favorecer la formación y regeneración del hueso dada su
similitud con la parte inorgánica del mismo [5] [6] [7]. En segundo lugar, el carbonato de calcio
es biorreabsorbible, biocompatible y posee muy buena osteoconducción, lo que facilita el
2
crecimiento de osteoblastos y representa una condición esencial para la osteointegración [8] [9].
En tercer lugar, el glutaraldehido es el principal agente entrecruzante, que facilita la formación de
la red polimérica y mejora la estabilidad y propiedades mecánicas del adhesivo debido a la
formación de grupos imina a partir de los grupos amino presentes en el quitosano y el grupo
funcional aldehído [10].
Actualmente, el adhesivo es preparado en el laboratorio a partir de la mezcla de tres diferentes
soluciones. La primera consiste en una disolución de quitosano en ácido acético a una
concentración de 1,5%p/v que es mezclada por 15 minutos a 450rpm. Dicha solución se deja
reposar y se almacena a 4°C por 24 horas antes de ser mezclada con las otras soluciones. La
segunda consiste en una dispersión homogénea de carbonato de calcio e hidroxiapatita en ácido
acético que se mezcla por 15 minutos con la ayuda de un dispersor ligero a 500rpm. La tercera,
corresponde a una solución de glutaraldehido 0,003mM. Para preparar el adhesivo se deben
mezclar por 10 minutos las primeras dos soluciones a 450rpm, luego de su preparación, para
finalmente agregar el glutaraldehido y mezclar por un minuto más. El proceso en el laboratorio
toma alrededor de 26 minutos, sin tener en cuenta la preparación de la primera solución.
Con respecto al diseño del método de preparación en cirugía, el proceso actual considera el uso
de una batidora manual de cocina como principal motor de agitación del adhesivo a 1250rpm. La
batidora se utiliza para la preparación de la segunda solución precursora y para la mezcla de las
tres soluciones para obtener el producto, junto con el motor de la batidora se utiliza su geometría
de agitación convencional. Las principales ventajas de utilizar este equipo recaen en su
practicidad y baja complejidad en términos de transporte y manejo, su costo relativo en
comparación con otros equipos y la facilidad que tiene el mismo de ser esterilizado previo al
ingreso a la sala de cirugía. Sin embargo, este tipo de equipos no están diseñados para trabajar a
menores velocidades y los resultados de otros estudios han concluido que mediante este método
de preparación no se obtiene un producto con las mismas características, en particular reológicas
y mecánicas, que el obtenido en el laboratorio [6] [11].
En cuanto esto último, para la aceptación y funcionalidad del producto es de especial interés
diseñar una metodología que permita mantener estas propiedades. En primer lugar, las
características reológicas hacen referencia al estudio del comportamiento del flujo y respuesta a
deformaciones del producto. Esto en el adhesivo es de especial interés debido a que compromete
aspectos de aplicación como su esparcibilidad, almacenamiento y manejo. En este estudio,
mediante la reología se busca especialmente conocer las respuestas viscoelásticas1 del producto y
determinar el tiempo característico de gelificación [12]. En segundo lugar, las propiedades
mecánicas están directamente relacionadas con la funcionalidad del producto, son de especial
interés la dureza, adhesividad y cohesividad, las cuales se detallarán más adelante2.
Con respecto al método de preparación, estudios anteriores realizados cambiando la velocidad, el
tipo de agitador y los métodos de almacenamiento han demostrado que la preparación del
adhesivo en ambientes quirúrgicos no es efectiva. Esto, dado que los cambios propuestos,
aumentan el valor inicial de los módulos elástico y viscoso y se ha observado que comprometen
su esparcibilidad, disminuyen los módulos elásticos3 del adhesivo luego del tiempo de
estabilización, al igual que reducen su adhesividad [6] [13]. Una de las investigaciones realizadas
buscaba probar distintos métodos de agitación. El resultado obtenido estableció que la
metodología de preparación del adhesivo disminuía significativamente los valores de
1 El comportamiento viscoelástico hace referencia a la capacidad y tendencia de un producto de presentar tanto
propiedades viscosas como elásticas cuando se someten a un esfuerzo de deformación. En el adhesivo preparado con
el método base luego del tiempo de estabilización del módulo elástico alcanza un orden de magnitud superior al viscoso,
y el tiempo de gelificación característico se encuentra entre 12 y 15 minutos.
2 Estas propiedades se reportan bajo los estándares de la prueba perfil de textura (TPA) teniendo en cuenta las
recomendaciones para geles [19] [20], que se explicará detalladamente en la metodología.
3 Al menos dos órdenes de magnitud.
3
adhesividad, de acuerdo con pruebas de Butt Joint Test. En conclusión, el adhesivo que se obtiene
en este momento con el método de preparación en cirugía no cumple con su principal función [6].
Otra investigación buscó estudiar el proceso de preparación del gel para determinar cuál de las
agitaciones es responsable del cambio en las propiedades mecánicas. Las conclusiones de dicho
estudio pudieron determinar que el cambio en las dos últimas agitaciones, por la geometría de
agitación de una batidora y una velocidad de 1250rpm, era el responsable de la disminución de la
fuerza de adhesión del producto, en un principio se cree que debido a que el cambio del método
introduce aire en el adhesivo [14]. Sin embargo, el estudio planteó que todavía no se podía
determinar si el cambio era completamente responsabilidad de la geometría del agitador o de la
velocidad [11].
Otro aspecto por considerar es el almacenamiento de las soluciones precursoras del adhesivo.
Actualmente, la solución de quitosano en ácido acético se debe preparar con un mínimo de 24
horas de antelación, pero la solución de carbonato e hidroxiapatita se prepara al instante debido a
la inestabilidad de la suspensión que estas sustancias forman, en particular dado que la
hidroxiapatita tiende a sedimentarse. Una investigación realizada determinó que las condiciones
más apropiadas para el almacenamiento de las soluciones, con respecto a la reología de los geles,
es a una temperatura de 4°C [6], correspondiente a un refrigerador convencional. Los resultados
de dicho estudio concluyeron que los geles preparados con sus componentes almacenados a esta
temperatura presentan mayores módulos elásticos y tiempos de gelificación más cercanos al
método de preparación tradicional.
Sin embargo, también determinaron que hay diferencias aparentes en las propiedades mecánicas.
Estas diferencias eran evidentes en apariencia y textura, que aunque no fueron cuantificadas,
demostraron que se podría comprometer la función principal del adhesivo. Dicha conclusión parte
de la inestabilidad de la suspensión de carbonato de calcio e hidroxiapatita en ácido acético que
se propone estudiar más para encontrar la forma de simplificar la preparación en cirugía [11]. Por
lo anterior, todavía no se ha logrado almacenar las soluciones de tal manera que la preparación
del adhesivo se facilite en una sala de cirugía sin cambiar las propiedades del producto. La
intención del estudio es determinar si efectivamente la segunda solución precursora se podría
almacenar para simplificar el proceso de preparación en un quirófano.
Adicionalmente, sobre esto último se conoce que la suspensión de carbonado de calcio e
hidroxiapatita se decanta después de un tiempo, pero no se ha determinado cuanto es el tiempo
máximo que se puede almacenar o la posibilidad de agregar un agente estabilizante. Un reto en
cuanto al almacenamiento recae en la necesidad de determinar la mejor forma de almacenar las
soluciones para poder ser conservado una vez se lleve a la producción masiva del adhesivo y se
deben determinar los impactos mecánicos de estas decisiones [6] [15] [16].
En este estudio se plantea encontrar un método de preparación replicable, que incluya la
adecuación de los sistemas de agitación del adhesivo en una sala de cirugía, al igual que el
almacenamiento de las soluciones involucradas en su preparación. Se busca evaluar el efecto del
diseño de geometrías de agitación y su adaptación a motores de agitación comunes, en este caso
el de una batidora de cocina. De igual manera se busca la posibilidad del cambio en el
almacenamiento de reactivos adicionando agentes estabilizadores de suspensiones. Los criterios
para determinar el método de preparación definitivo son la caracterización reológica y las
propiedades mecánicas del adhesivo preparado con cada variación.
2. Objetivos
2.1 Objetivo general:
Diseñar una metodología de preparación para los geles a base de quitosano con uso potencial
como adhesivo óseo, que permita la adecuación del proceso a un ambiente de cirugía,
manteniendo las propiedades reológicas y mecánicas del adhesivo. Asimismo, evaluar la
4
viabilidad del almacenamiento de una de las soluciones precursoras del gel, para facilitar su
preparación en cirugía.
2.2 Objetivos específicos:
1. Evaluar los efectos de modificar la geometría del agitador y la velocidad de agitación en
las propiedades reológicas y mecánicas del adhesivo.
2. Proponer una metodología de preparación en cirugía de acuerdo con los resultados de las
variaciones estudiadas y cuantificar las propiedades mecánicas y reológicas del adhesivo
preparado con este método.
3. Determinar el efecto de la adición de un agente estabilizante que facilite el
almacenamiento de las soluciones precursoras del adhesivo sin modificar sus propiedades
reológicas y mecánicas de manera considerable.
3. Materiales y métodos
3.1 Materiales
3.1.1 Reactivos
Para la preparación de los adhesivos se utilizó Quitosano (Q) de peso molecular medio (Sigma
Aldrich 448877-250G), Hidroxiapatita (HAp) (Sigma Aldrich), Carbonato de calcio (CC)
(Panreac), Ácido Acético Glacial (AA) y Glutaraldehido (G) (Panreac). En algunos adhesivos se
utilizó Goma Xantana (GX) (Sigma Aldrich).
3.1.2 Equipos
Para el desarrollo de la experimentación se utilizaron los siguientes equipos de laboratorio:
• Agitador mecánico IKA
• VMA – Dissolver DISPERMAT®
• Vortex Shaker
• Batidora de mano - marca Garrity
Adicionalmente, para la evaluación de propiedades se utilizaron los siguientes equipos:
• Reómetro rotacional ARG2
• Texturometro TA. HDplus (Stable Micro Systems)
• Analizador de estabilidad de suspensiones y emulsiones (Turbiscan®)
• Microscópico electrónico de barrido (JEOL JSM-6490LV) (SEM/EDS)
3.2 Métodos
3.2.1 Métodos de preparación del adhesivo
Durante el documento se hace referencia a seis métodos de preparación del adhesivo: método
base (que corresponde al método de preparación en el laboratorio que se ha venido utilizando
exitosamente), variación de la geometría del agitador en la segunda agitación, variación de
velocidad en la segunda agitación, variación del diámetro de la geometría de agitación de la
segunda agitación, método en cirugía completo (que corresponde al diseño del método de
preparación en cirugía con las variaciones adoptadas en este estudio) y adición de un agente
estabilizante a la segunda solución precursora. A continuación, se enuncia el protocolo de
preparación de cada uno de estos métodos.
3.2.1.1 Método base
El método de preparación del adhesivo considerado como el método base involucra las siguientes
etapas:
5
I. 0,25g de Q son agregados a 10mL de una solución de AA en agua de concentración 1%
v/v. Dicha solución se mezcla durante 15 minutos a 450 rpm empleando una hélice de
agitación de tipo propela de tres aspas de 55mm de diámetro con el motor de agitación
mecánico IKA. La solución se almacena a temperatura ambiente durante 24 horas.
II. Se adiciona 0,50 g de HAp y 0,50 g de CC en 2,50 mL de AA. Esta solución se agita
utilizando el VMA - Dissolver DISPERMAT® durante 15 minutos a 500 rpm. Se emplea
un dispersor de peso ligero con un diámetro de 25 mm.
III. Se toman las dos soluciones preparadas anteriormente y se agitan durante 10 minutos a
450 rpm haciendo uso de la hélice de tipo propela en un agitador mecánico IKA.
IV. Por último, se agregan 0,50 mL de una solución de glutaraldehido con una concentración
de 0,003mM y se agita por 1 minuto más todo completo.
Durante el documento se hace referencia a la numeración anterior para referirse a las
modificaciones con respecto al método base.
3.2.1.2 Descripción de los otros métodos
A. Variación de la geometría del agitador: este método consiste en la preparación del
adhesivo modificando la geometría del agitador utilizado en las etapas III y IV del método
base (la hélice de tipo propela de tres aspas de 55mm de diámetro) por la propela de
agitación de una batidora convencional (agitador con cuatro paletas de 57mm de alto y
50mm de diámetro). No se varía nada en las etapas I y II.
B. Variación de la velocidad de agitación: este método consiste variar la velocidad de
agitación del método base en las etapas III y IV de 450rpm a 1250rpm, debido a las
limitaciones del motor de la batidora. No se varía nada en las etapas I y II.
C. Variación del diámetro de la geometría del agitador: este método consiste en
modificar la velocidad de agitación en las etapas III y IV del método base por 1250rpm
y variar el diámetro de la geometría del agitador con el fin de conservar el número de
potencia de la agitación y el número de Reynolds del método base. No se varía nada en
las etapas I y II.
D. Método de preparación en cirugía: este método corresponde al diseño propuesto para
trabajar en cirugía. Consiste en variar la velocidad de agitación de la etapa II a 1250rpm
(dado que otro estudio demostró que la variación en esta etapa no genera cambios
significativos [11]) y adoptar las variaciones anteriores en las etapas III y IV según los
resultados obtenidos. No se cambia nada en la etapa I.
E. Adición de un agente estabilizante: este método consiste en agregar un agente
estabilizante (goma xantana) en la etapa II, mezclar los reactivos en polvo antes de
preparar la dispersión y continuar con el resto de las etapas sin modificaciones. No se
varía ninguna otra condición en las etapas I, III y IV del método base.
3.2.2 Metodologías de evaluación de propiedades
3.2.2.1 Reología - Proceso de gelificación
Para la caracterización de los geles obtenidos por los diferentes métodos descritos, se estudió el
proceso de gelificación del adhesivo inmediatamente después de ser preparado. Para realizar las
pruebas, se utilizó del Reómetro rotacional ARG2. Se programó una prueba oscilatoria conocida
como barrido de tiempo. El objetivo de esta prueba es medir el esfuerzo o deformación de un
producto en un intervalo de tiempo en el que se mantiene constante la frecuencia, la amplitud de
oscilación y la temperatura [13]. La prueba se realizó con una geometría de platos paralelos de
20mm de diámetro, un gap de 1 mm, un porcentaje de deformación del 1%, frecuencia de
oscilación de 1 Hz y una temperatura cercana a la corporal de 37°C. La prueba tiene una duración
de 40 minutos y se usan 0,50mL del adhesivo.
A partir de los resultados obtenidos por medio de la prueba, se calcula el tiempo característico de
gelificación. Este típicamente se define en la literatura como el cruce de los módulos elástico y
6
viscoso de la muestra en una prueba oscilatoria. Sin embargo, en los geles estudiados, esto ocurre
antes de llevar la muestra al reómetro. Por lo tanto, se calcula el tiempo característico como el
punto mínimo del parámetro reológico tan (𝛿) , el cual se calcula a partir de la ecuación 1 que se
muestra a continuación. En esta, el módulo elástico es mayor al viscoso dado por un mayor
almacenamiento de energía y transición del producto (solución a gel) [13].
tan(𝛿) =𝐺′′
𝐺′ (1)
Adicionalmente, de la prueba se pueden conocer los intervalos en los que los módulos elástico y
viscoso del adhesivo alcanzan un comportamiento estable, y los intervalos iniciales que van a
estar relacionados con características propias del producto como su esparcibilidad.
3.2.2.2 Perfil de textura del adhesivo
Para la caracterización y comparación de las propiedades mecánicas del adhesivo se planteó una
prueba de doble compresión que se conoce como perfil de textura (TPA) [17] [18]. Esta prueba
se utiliza en la industria de alimentos, en la industria farmacéutica y la industria de cosméticos
para caracterizar propiedades mecánicas y sensoriales [19]. El objetivo de la prueba es mediante
una doble compresión con una punta con superficie de contacto plana, reportar valores para las
propiedades mecánicas de los geles contenidos en un recipiente, luego de la aplicación de una
fuerza de compresión uniaxial. La prueba permite calcular valores de cohesividad, dureza y
adhesividad de acuerdo con las definiciones de la prueba y una relación de áreas, picos y
distancias que se muestra en la figura 1. En este estudio se planteó estudiar las tres propiedades
mencionadas anteriormente según las definiciones del TPA.
En primer lugar, la dureza, en este estudio, hace referencia a la fuerza máxima alcanzada durante
la primera compresión, medida en Newton (N)4. Es importante resaltar que, debido a que el
adhesivo es un gel los valores de dureza no se espera que sean muy grandes, pero si invariantes
frente a cambios en el método de preparación. En segundo lugar, la adhesividad se refiere a la
energía requerida para separar dos materiales, en el caso de las pruebas, el gel con la punta de
acero inoxidable, esta propiedad se mide en unidades de trabajo sobre volumen (MPa). Esta es la
característica que se define como crítica debido a que está directamente relacionada con su posible
aplicación en el tratamiento de fracturas. En tercer lugar, la cohesividad hace relación a las fuerzas
intermoleculares del producto que causan una resistencia a su separación. Esta última es
importante dado que puede sugerir una falla interna en las cadenas poliméricas del gel [18].
4 Para este estudio se reporta la dureza según el TPA. Esta también se puede interpretar como la fuerza requerida para
deformar un producto a una distancia dada [19] [18].
Figura 1: Caracterización del Perfil de Textura (TPA) del producto [17]
7
Es importante resaltar que, en el caso de productos líquidos, en algunas ocasiones, el perfil de
textura proporciona resultados que varían con respecto a la viscosidad y estado del proceso de
gelificación [20]. Debido a lo anterior se estandarizó una medición en un tiempo de 12 minutos
cuando se conoce que el adhesivo ya presenta propiedades de un gel basado en el tiempo
característico del adhesivo preparada con el método base. Las condiciones de operación del perfil
de textura se enuncian en la Tabla 1. Estas condiciones fueron determinadas en un estudio anterior
teniendo en cuenta la disponibilidad de los equipos del laboratorio y una revisión de literatura
asociada a perfiles de textura (TPA) [11] [21].
Tabla 1: Parámetros de operación del perfil de textura
Geometría Cilíndrica de 2 mm (P/2)5
Material de la geometría Acero inoxidable
Velocidades 1 mm/s
Distancia inicial 50 mm
Distancia al adhesivo 25 mm
Distancia de penetración 0,5 mm
Repeticiones 2
Temperatura Ambiente (17 °C)
Presión 560 mmHg6
Luego de obtener los perfiles de textura, con el fin de analizar los datos, los mismos se ingresan
a Matlab donde se aplica un filtro para reducir el ruido y variaciones de las señales del perfil y
calcular las áreas de la figura para obtener el valor de las propiedades. En primer lugar, para
eliminar el ruido de los resultados obtenidos en el texturometro, se utilizó una función de Matlab
llamada filter y se aplicó tanto para los datos del tiempo como para los de la fuerza. Esta función
guarda los datos en dos nuevos vectores. Posteriormente, con estos nuevos vectores, se calculó el
máximo de la función, el cual corresponde a la dureza, con una función llamada max. Por último,
para calcular las áreas, fue necesario hacer un recorrido para determinar los puntos en los que la
función cambiaba de signo para poder dividir la función en las secciones mostradas en la figura
1. Con estos cambios de signo se utilizó la función trapz para calcular las áreas.
3.2.2.3 Análisis de estabilidad de las suspensiones
Para analizar la estabilidad de las suspensiones en la segunda solución precursora del adhesivo se
utilizó el Turbiscan®, el cual permite analizar la estabilidad de una suspensión mediante el
análisis de dos aspectos: la variación en el tamaño de partículas debido a la floculación7 o
coalescencia8 de una muestra, y la migración de partículas debido a flotabilidad o sedimentación.
El Turbiscan adquiere datos de transmisión y de retro-dispersión [22]. La prueba realizada se hace
a 22°C, ya que, se busca establecer si las soluciones precursoras se pueden almacenar a esta
temperatura. El análisis se realiza durante una hora realizando escaneos cada 26 segundos. Los
resultados obtenidos permiten analizar tanto el tamaño de partículas antes y después de la adición
de un agente estabilizante como también el movimiento de las partículas. Esto es lo que se busca
estudiar, debido a que la sedimentación de los compuestos ha demostrado ser un problema
aparente y la razón principal por la cual es necesario preparar esta suspensión en el quirófano.
5 Se decidió utilizar esta punta por la disponibilidad del laboratorio, no se cambió para no afectar la comparabilidad de
los resultados. La literatura recomienda una punta con diámetro entre 7 y 10 mm [21]. Utilizar esta punta introdujo una
mayor variabilidad y ruido a los resultados. 6 Condiciones atmosféricas de presión en la ciudad de Bogotá D.C. 7 Propiedad característica de una sustancia para formar partículas de mayor tamaño por sedimentación, procesos
químicos o espontáneamente. 8 Propiedad característica de una sustancia de unirse o fundirse.
8
3.2.2.4 Análisis morfológico
Durante el estudio, con el fin de entender mejor el efecto de algunas de las modificaciones se
planteó un análisis cualitativo de morfología, distribución de partículas y un análisis de elementos.
Para lo anterior, se utilizó el equipo SEM (JEOL JSM-6490LV) y la técnica de espectrofotometría
de energía dispersiva para determinar si existen cambios aparentes en la distribución elemental
de las muestras y en la aglomeración de algunos compuestos. Es importante resaltar que antes de
realizar las observaciones con el SEM, las muestras deben estar secas. Para esto último, se realiza
un secado biológico por 24 horas a 37°C previamente al estudio. Las fotografías de la superficie
de los geles se obtuvieron a un acercamiento de 30 μm y 200μm y se controló el voltaje eléctrico
en 15kV.
3.2.3 Análisis estadístico de datos
Con el fin de realizar una comparación de resultados y aceptar o rechazar los cambios introducidos
por cualquiera de las variaciones a considerar se planteó en el estudio el empleo de una prueba t
pareada. Se definió además un nivel de significancia del 5%. La prueba t pareada se realizó para
las dos propiedades que se definieron como las más importantes de mantener según las
necesidades del proyecto, el tiempo característico de gelificación y la adhesividad9.
4. Resultados y Discusión
Para cada uno de los experimentos realizados y presentados en esta sección, para el perfil de
textura y reología, se hicieron tres réplicas y se reportaron las curvas más representativas10 y los
valores con su respectiva media y desviación estándar.
4.1 Efecto de la geometría de agitación
En esta sección se busca mostrar los efectos de la variación de la geometría de agitación en el
diseño de la metodología. Para lo anterior, se prepararon geles evaluando el efecto de la geometría
de agitación cambiando la hélice de agitación tradicional (de 3 aspas de tipo propela de 55mm de
diámetro) por la de una batidora convencional de mano. Los resultados de la reología obtenidos
se presentan en las Figura 2a y 2b y el tiempo característico se presenta en la tabla 2.
(a) (b)
Figura 2a y 2b. Módulos elástico y viscoso, tangente de delta comparando variación de la
geometría de agitación con el método base
9 La dureza y cohesividad se cuantificaron también debido a que son propiedades de interés en el producto, pero el
criterio de decisión no se basó en la comparación estadística de los resultados para estas propiedades. 10 La curva más representativa corresponde a la réplica que más se acerca al promedio. En ningún caso se promediaron
datos intermedios para realizar gráficas.
9
Tabla 2. Tiempo característico del adhesivo al cambiar la geometría
Tiempo característico en (min) Promedio Desviación estándar
Base 15,448 0,763
Geometría de la batidora 15,760 1,939
La figura 2a permite ejemplificar el comportamiento de los módulos elástico (G’) y viscoso (G’’)
al modificar la geometría de agitación y para el método base en la prueba de barrido de tiempo.
En la figura se puede observar que para ambos casos la respuesta elástica es siempre superior al
comportamiento viscoso, incluso luego de que el sistema se empieza a estabilizar. Los módulos
iniciales en ambos casos son muy similares, lo que permite concluir que, características como la
esparcibilidad si se aplica recién preparado no se van a ver afectadas, debido a que se conserva
un valor bajo para los módulos. En la figura 2b y la tabla 2 se puede observar que el tiempo
característico de gelificación es muy similar al cambiar la geometría de agitación y la diferencia
no es estadísticamente significativa.
De acuerdo con las propiedades mecánicas, el impacto de la variación en el perfil de textura (TPA)
de los adhesivos se puede observar en la figura 3 y en la tabla 3:
Figura 3. Perfil de textura para la propela de la batidora y hélice tipo propela “boat”
Tabla 3: Propiedades mecánicas del adhesivo a los 12 minutos al cambiar la geometría
Prueba Base Geometría batidora
Dureza (N) 0,00134±0,00082 0,00147 ± 0,00016
Cohesividad 0,570±0,802 0,268 ± 0,460
Adhesividad (MPa) 0,113±0,025 0,0507 ± 0,0069
A partir de los resultados obtenidos, se puede observar que la diferencia promedio de la
adhesividad de las muestras con la geometría de la batidora y las muestras con la base es de
0,0623MPa, aproximadamente el doble del valor de la propiedad alcanzada con la geometría de
la batidora es lo que se alcanza con el método base. La diferencia en la propiedad es
estadísticamente significativa, por lo cual se puede afirmar que la geometría si altera la
adhesividad del gel y se rechaza la variación para la preparación en cirugía.
En ese sentido, estas diferencias en la adhesividad introducidas por el cambio de la geometría se
pueden explicar por varios factores. En primer lugar, las paletas de las batidoras convencionales
están diseñadas para que junto con un incremento en la velocidad se incorpore aire a los productos
10
que se encuentran agitando [14]. Debido a lo anterior, la presencia de aire puede tener un impacto
en la cohesividad y adhesividad del gel obtenido, ya que, puede afectar el proceso de gelificación
y entrecruzamiento. Esto último gracias a que burbujas de aire pueden quedar atrapadas en la
superficie del gel [14]. En segundo lugar, la propela está diseñada para que al menos ¼ de ésta
esté sumergida en el líquido, de manera que las aspas verticales tengan una mayor acción. Esto
no ocurre con los geles actuales y el tamaño del agitador en comparación al gel es mucho mayor
lo que puede estar causando esta variación.
A pesar de lo anterior, en cuanto a dureza y cohesividad, el adhesivo no presenta diferencias
significativas. Es importante resaltar que, dentro de las variaciones propias de la prueba, se
encuentra la posición relativa de la punta y eso puede variar el efecto de la deformación al aplicar
la fuerza de compresión uniaxial. En resumen, con base en estos análisis se puede afirmar que a
pesar de que algunas propiedades y la reología del adhesivo no varía de forma significativa, los
cambios en la adhesividad sí son significativos al variar la geometría, por lo cual no se acepta el
cambio de este factor y se decide continuar trabajando por el momento con la hélice de tres aspas
tipo propela para el modelo en cirugía. Esto implica una variación en el método actual en cirugía
en el cual estudios anteriores habían propuesto la geometría de agitación de la batidora.
4.2 Efecto de la velocidad de agitación
Una vez escogida una geometría de agitación se continúa con la evaluación del efecto de la
velocidad, las figuras 4a y 4b y la tabla 4 ejemplifican el impacto del cambio de la velocidad en
el valor de los módulos elástico y viscoso y el tiempo característico de gelificación.
(a) (b)
Figura 4a y 4b. Módulos elástico y viscoso, tangente de delta comparando variación de
velocidad con el método base
Tabla 4: Tiempo característico del adhesivo al cambiar la velocidad
Tiempo característico en (min) Promedio Desviación estándar
Base 15,448 0,76
Cambio velocidad 14,995 1,42
A partir de los resultados, al igual que con la variación anterior, se puede deducir que no hay
diferencia significativa al cambiar la velocidad de la tercera y cuarta etapa de agitación, en el
tiempo característico y tampoco en la respuesta viscoelástica del producto. Además, en la figura
4a se observa que el valor inicial de los módulos elástico y viscoso del adhesivo es similar al
método base, al igual que la respuesta elástica y viscosa cuando alcanzan el equilibrio.
11
La figura 5 y tabla 5 muestran los resultados del perfil de textura (TPA) para las variaciones en la
velocidad en la agitación (etapas III y IV del método de preparación base) en la preparación del
adhesivo.
Figura 5. Perfil de textura del gel para velocidades de 450 y 1250 en la tercera y cuarta
agitación del proceso de preparación
Tabla 5: Propiedades mecánicas a los 12 minutos del adhesivo al cambiar la velocidad
Velocidad 450 rpm 1250 rpm
Dureza (N) 0,00134±0,00082 0,00231 ± 0,00029
Cohesividad 0,570±0,81 0,939 ± 0,82
Adhesividad (MPa) 0,113±0,025 0,0689 ± 0,022
A partir de los resultados presentados anteriormente, se puede afirmar que la diferencia en la
adhesividad, con respecto al método base, para las tres réplicas es de 0,0441MPa. Este valor es
menor en comparación con la diferencia que conlleva el cambio de la geometría, además,
estadísticamente se encontró que no hay una diferencia significativa. Dado lo anterior, el cambio
puede considerarse aceptable teniendo en cuenta la practicidad que trae variar la velocidad para
utilizar motores convencionales en el diseño de la metodología de preparación. Por otro lado,
otros estudios han demostrado que incrementar la velocidad puede perjudicar las propiedades
mecánicas de algunos productos, en particular las asociadas a la adhesión [11] [23]. A pesar de
esto, este efecto puede ser contrarrestado con la reducción del tiempo de agitación o diseño de
una propela con menor esfuerzo cortante, debido a que para alcanzar la homogeneización de una
mezcla ya se está utilizando un mayor trabajo dado por el incremento de la velocidad [24]. Por lo
anterior un estudio en la reducción del tiempo de agitación podría ser realizado para reducir el
efecto que tiene la velocidad y poder continuar usando el motor de la batidora en cirugía.
Algo importante para resaltar es que, a pesar de una caída en la adhesividad de casi el 40%, según
las pruebas no se rechaza la variación y esto ocurre dado que las desviaciones de las réplicas son
muy grandes. Esto se puede explicar debido a una combinación de razones. En primer lugar, el
adhesivo, como producto complejo, no siempre resulta en geles replicables, esto dado que su
sensibilidad a la pureza de los reactivos y al proceso de preparación pueden afectar sus reacciones
de gelificación y la formación de la red polimérica. En segundo lugar, el TPA para medir
adhesividad y la punta utilizada introducen variaciones al aplicarse a geles que pueden afectar los
resultados y explicar las altas desviaciones. Para intentar comprender un poco más el efecto de la
velocidad, sobre esta variación se planteó el estudio de morfología, con el fin de observar si este
12
incremento tenía a simple vista un efecto significativo en la distribución elemental y espacial. Se
presenta a continuación para ambos métodos de preparación.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 6. Fotografías SEM de la superficie de los hidrogeles variando la velocidad de
agitación. a) 450 rpm y acercamiento de 200 µm. b) 1250 rpm y acercamiento de 200 µm. c)
450 rpm y acercamiento de 30 µm. d) 1250 rpm y acercamiento de 30 µm.
Al analizar las imágenes de la figura 6, a simple vista se puede concluir que la morfología del
adhesivo no cambia al aumentar la velocidad. La distribución de puntos blancos, los cuales
contienen fósforo y calcio, es muy similar en ambos casos. De igual manera ocurre con los puntos
grises que son en su mayoría quitosano. Debido a lo anterior, aún no es posible afirmar que la
adhesividad del gel se reduce a causa de un cambio en la morfología.
4.3 Cambios en el diseño para contrarrestar efectos en adhesión
Para compensar el efecto que tiene la velocidad de agitación sobre las propiedades del adhesivo,
se decidió estudiar más a fondo el proceso de agitación. Luego de una revisión de literatura se
determinó que efectivamente el tipo de agitador utilizado (hélice de tres aspas tipo propela)
corresponde a la geometría recomendada para un sistema caracterizado por esfuerzo cortante
medio, flujo medio, viscosidad media e intensidad de agitación media-alta [25] [13]. Ese es el
caso del bioadhesivo que se está buscando preparar. Dado lo anterior se tomó la decisión de no
13
cambiar la geometría del agitador para compensar la disminución de la adhesividad al cambiar la
velocidad, sino evaluar el efecto de reducir el diámetro del agitador. Esto con el fin de mantener
el número de Reynolds y número de potencia igual para el método base y el método de
preparación en cirugía. Se utilizaron para este fin las siguientes relaciones entre el régimen del
fluido, la agitación y el diámetro de la propela utilizada.
𝑅𝑒 =𝜌𝑁𝐷2
𝜇 (2)
𝑁𝑃 =𝑃
𝑁3𝐷5𝜌 (3)
Además, es importante determinar el tipo de flujo dentro del recipiente que se está agitando y con
la velocidad se puede caracterizar el régimen del flujo. El tipo de flujo es utilizado para determinar
el tipo de fluido con el que se está trabajando. Al diseñar un sistema de agitación es necesario
tener en cuenta dimensiones del agitador, del tanque, altura del fluido, distancias y relaciones
entre el tanque y el agitador [26]. Adicionalmente, mediante la conservación del número de
Reynolds y del número de potencia se busca conservar en el sistema la relación entre la fuerzas
inerciales y viscosas y la potencia de la agitación original (método base).
A partir de lo anterior, se determinó que el diámetro del agitador, para una velocidad de 1250rpm,
debía estar entre 23 - 25 mm11, un 40% menos que el diámetro original de la geometría. Las
figuras 7a y 7b y la Tabla 6 muestran los resultados obtenidos para la reología del adhesivo.
(a) (b)
Figura 7a y 7b. Módulos elástico y viscoso, tangente de delta comparando variación en el
diámetro del agitador con el método base
Tabla 6: Tiempo característico del adhesivo al variar el diámetro
Tiempo característico en (min) Promedio Desviación estándar
Base 15,448 0,76
Cambio diámetro de agitador 12,579 1,42
Al analizar los resultados de la tabla 6 se determinó que la diferencia en el tiempo característico,
al cambiar el diámetro del agitador, no es significativa. En cuanto a los módulos elásticos y
11 Para un número de Reynolds igual el diámetro debe ser de 25mm, para un número de potencia igual el diámetro debe
ser de 23mm.
14
viscoso se puede observar que el valor inicial tanto para la base como para las pruebas al cambiar
el diámetro del agitador es igual. Al alcanzar el tiempo de estabilización también la respuesta
elástica del sistema permanece igual al método base, pero la respuesta viscosa cambia. Esto último
puede implicar que el cambio en el tamaño introduce un efecto en las propiedades líquidas del
hidrogel [27]. La figura 8 y la tabla 7 muestran los resultados del TPA.
Figura 8. Perfil de textura del gel cambiando el diámetro de la geometría de agitación
Tabla 7: Propiedades mecánicas a los 12 minutos del adhesivo al cambiar el diámetro
Prueba Base Cambio en el diámetro
Dureza (N) 0,00134±0.00082 0,00104 ± 0.000057
Cohesividad 0,570±0.81 1,261 ± 0,53
Adhesividad (MPa) 0,113±0.025 0,0589 ± 0,017
De acuerdo con los resultados de las pruebas mecánicas presentadas en la tabla 7 se puede
observar que la adhesividad del gel se reduce en un 47% al cambiar el diámetro del agitador. En
este caso, se obtienen mejores resultados de adhesión al variar únicamente la velocidad. Esta
propiedad cambia en un 39% con respecto al método base. Fue posible también determinar que
las variaciones en los resultados de la dureza y la cohesividad no son significativas.
Además, esta variación introducida por el diámetro puede estar dada por zonas del recipiente que
no se agitan correctamente y por lo tanto se tienen zonas muertas. Al realizar el análisis
dimensional, no se tuvo en cuenta la relación que se tiene entre el diámetro del agitador y el
diámetro del recipiente donde se prepara el adhesivo (semejanza geométrica), esto debido a que
no se podían mantener ambas condiciones.
4.4 Método de preparación en cirugía
Finalmente, después de determinar los mejores niveles para las diferentes variables estudiadas se
decidió diseñar el método de preparación en cirugía completo con las variaciones adoptadas. A
partir de los resultados, se adoptó el uso del motor de una batidora convencional para las etapas
II, III y IV, lo que implica una velocidad de 1250rpm, con la hélice de tres aspas tipo propela con
un diámetro de 55mm para las etapas III y IV. Para la etapa II se utilizó un dispersor ligero de
25mm de diámetro. No se varió nada en la etapa I. La figura 9 muestra el proceso de gelificación
del adhesivo y la tabla 8 el tiempo característico del gel.
15
(a) (b)
Figura 9a y 9b. Módulos elástico y viscoso y tangente de delta comparando método de
preparación en cirugía y método base.
Tabla 8: Tiempo característico del adhesivo con la metodología adoptada para cirugía
Tiempo característico en (min) Promedio Desviación estándar
Base 15,448 0,76
Método de preparación en cirugía 13,842 0,83
Al analizar los resultados obtenidos para la reología, se puede observar que el tiempo
característico es similar en el método de preparación en cirugía y el método base, incluso un poco
menor pero parecido al reportado en estudios anteriores [6] [13]. En cuanto a los módulos, se
puede observar que tanto para el elástico como para el viscoso se alcanza un mayor valor final en
el método en cirugía. El valor inicial de estos módulos también es importante, ya que, compromete
la facilidad de aplicación del adhesivo, y estos valores son mayores, pero no alcanzan a ser un
orden de magnitud mayor. Sin embargo, no son significativos de acuerdo con las pruebas
estadísticas. La Figura 10 muestra el perfil de textura del adhesivo usando el método de
preparación en cirugía adoptado y el método base.
Figura 10. Perfil de textura del gel para el método de preparación en cirugía
16
Tabla 9: Propiedades mecánicas del adhesivo a los 12 minutos con la metodología adoptada
para cirugía
Prueba Base Método de
preparación en cirugía
Dureza (N) 0,00134±0,00082 0,00126 ± 0.000076
Cohesividad 0,570±0,81 0,914 ± 0,84
Adhesividad (MPa) 0,113±0,025 0,0603± 0,023
A partir de los resultados anteriores, se puede concluir que la adhesividad entre el hidrogel
preparado con el método base y el método de preparación en cirugía no es estadísticamente
significativa. En resumen, el método adoptado permite obtener un gel con características similares
en cirugía al método base, pero todavía se recomienda evaluar otras alternativas para incluso
lograr mejores resultados si se mantiene una velocidad similar a la base.
4.5 Estabilización de la segunda solución precursora
4.5.1 Análisis de estabilidad de la suspensión por medio de la adición de un agente
estabilizante
Un estudio anterior reportó que la suspensión de CC+HAp en AA (segunda solución precursora)
no se puede almacenar debido a la sedimentación de los compuestos, en particular de la
hidroxiapatita [11]. Dado lo anterior, se realizó una investigación sobre posibles agentes
estabilizantes escogiendo la goma xantana (GX). Esto último, dado que la GX se utiliza
principalmente en la industria alimenticia para estabilizar las suspensiones por su bajo costo y
baja toxicidad. Luego de escogida la goma, se introdujo una nueva prueba de estabilidad de
suspensiones por medio del análisis de tamaño y movilidad de partículas con el Turbiscan®. La
prueba de estabilidad se realizó antes del perfil de textura y reología de los geles con el fin de
determinar primero el impacto del agente estabilizante sobre la segunda solución precursora antes
de preparar el adhesivo. El efecto del agente se estudió para geles recién preparados con el agente
y geles con la segunda solución precursora almacenada con el agente por 24 horas.
En ese orden de ideas, para entender mejor la estabilidad original, primero se realizaron análisis
a tres suspensiones. 1. sin goma recién preparada, 2. sin goma almacenada y luego agitada con un
Vortex Shaker, y 3. sin goma almacenada por un día. Esto se realizó con el fin de observar,
analizar y comparar el comportamiento de la solución al prepararla con 24 horas de anticipación
o al instante. De igual forma se quería observar si al agitar la solución manualmente (que se buscó
simular con el Vortex Shaker) se lograba obtener una suspensión similar a la recién preparada.
Además, se realizaron análisis de estabilidad de muestras con goma a diferentes concentraciones
(1%, 0,2% y 0,5%). Para lo anterior, en todos los casos se preparó una solución de 20 mL de ácido
acético con 1g de hidroxiapatita y 1g de carbonato de calcio. A continuación, se muestran los
resultados de trasmisión y retro-dispersión obtenidos para una suspensión recién preparada sin
goma.
17
Figura 11. Transmisión y retro-dispersión solución de HAp y CC recién preparada
La transmisión es un escaneo que determina que tanta luz atraviesa la solución. En la imagen
superior se puede ver como en un tiempo inicial (azul oscuro) la luz transmitida es muy cercana
a cero, pero a medida que pasa el tiempo la luz transmitida aumenta. Esto indica que las partículas
de hidroxiapatita y carbonato de calcio se van decantando a medida que pasa el tiempo. Además
de esto, al observar el eje x se puede ver que a bajas alturas la transmisión a lo largo del tiempo
sigue siendo cero. Lo anterior se debe, de igual manera, a la sedimentación de los reactivos.
Por otro lado, la retro-dispersión es una prueba que permite detectar partículas con un diámetro
inferior a 100nm [28]. En la primera región de la segunda gráfica en la figura 11, se puede ver
como se sedimentan los sólidos de gran tamaño y como estos se decantan rápidamente.
Posteriormente, se tiene una región en la cual se encuentran partículas de un diámetro mucho
menor y por último se tiene una fase en la cual solo se encuentra el ácido acético sin partículas
suspendidas.
El mismo análisis y conclusiones similares se encontraron para las soluciones almacenadas sin
goma con la agitación con la ayuda del Vortex Shaker y sin esta agitación12. En ese sentido, en
conclusión, luego de analizar la base, y el efecto de la agitación vigorosa se puede concluir que
efectivamente la suspensión que caracteriza la segunda solución precursora no es estable y se
continúa con la evaluación del agente estabilizante.
Para lo anterior, se plantearon tres niveles de concentración en gramos de goma xantana sobre el
volumen total del gel y se fijaron en valores de 1%, 0,5% y 0,2%. Estas concentraciones permiten
analizar además el momento en el que la solución se satura con la goma y se alcanza el resultado
deseado, que es una suspensión estable. Los resultados obtenidos permitieron concluir que una
concentración de 0,5% de goma es la adecuada, ya que, para concentraciones más altas se
obtenían aglomeraciones y para concentraciones más bajas no se alcanzaba el objetivo. Los
resultados se ejemplifican en la figura 12 a continuación.
12 Los resultados de estos estudios se muestran en los anexos
18
En la Figura 12 se pueden observar los perfiles de transmisión y retro-dispersión de la solución
durante una hora. En comparación con los resultados obtenidos para la solución sin goma, se
puede analizar que la luz en los dos escaneos no alcanzaba a llegar a los detectores por lo que las
partículas de hidroxiapatita y carbonato de calcio no se decantan. Se puede observar que a alturas
mayores, la luz si atraviesa pero esto se debe a que el recipiente en el que se encontraba la solución
no estaba completamente lleno. Adicionalmente, es posible afirmar que la goma xantana cumple
su función de evitar que las partículas se sedimentaran, ya que, las curvas se sobreponen entre si
por lo que la solución se mantuvo estable.
En una última instancia, luego de determinar la concentración de goma apropiada para la
estabilización de la suspensión, se decidió almacenarla para evaluar el comportamiento de las
partículas de carbonato de calcio e hidroxiapatita después de 10 días. Esto debido a que como
mínimo se espera que las soluciones se puedan almacenar por un tiempo de una semana antes de
preparar el adhesivo para aplicar a los pacientes. Con esta solución no se preparó ningún adhesivo,
solo se quería analizar la distribución de las partículas después de almacenar la suspensión de CC
y HAp en AA por 10 días. La Figura 13 muestra los resultados obtenidos. Esta prueba no se
realizó por 60 minutos sino por cinco minutos, debido a que buscaba analizar la estabilidad ya
después de transcurridos los 10 días, pero no por una hora desde ese momento.
Figura 12. Transmisión y retro-dispersión solución de HAp y CC con goma xantana al 0,5%
19
Figura 13. Transmisión y retro-dispersión solución HAp y CC con goma xantana al 0,5%
reposada 10 días
La figura 13 muestra como después de 10 días de almacenar la solución esta sigue estable. Al
comparar los resultados de retro-dispersión, se puede ver que después de almacenar la solución,
la luz comienza a atravesar a los 36 mm de altura al igual que en la solución recién preparada con
goma xantana, por lo tanto, las partículas no se han decantado. De igual manera ocurre con los
resultados en la prueba de transmisión. En los 36 mm se comienza a transmitir la luz, ya que,
como se mencionó anteriormente, la solución no alcanza a llenar todo el recipiente.
4.5.2 Efecto del agente estabilizante en la preparación de adhesivos
Luego de establecer la goma xantana a una concentración del 0,5% como un agente estabilizante
viable para almacenar las soluciones precursoras del adhesivo, se buscó establecer si la adición
de este agente compromete las propiedades reológicas y mecánicas del mismo. La figura 14 y la
Tabla 10 muestran el efecto de la adición de la goma en el proceso de gelificación.
Figura 14a y 14b. Módulos elástico y viscoso, tangente de delta comparando al adicionar
goma xantana con el método base
20
Tabla 10: Tiempo característico del adhesivo al agregar goma xantana al 0,5%
Tiempo característico en (min) Promedio Desviación estándar
Base 15,448 0,76
Goma 15,410 1,65
En cuanto a los resultados de la reología, se puede observar que el adicionar la goma no tiene un
efecto significativo en el tiempo característico del adhesivo, pero si tiene un efecto en el valor que
alcanzan los módulos elástico y viscoso al final de la prueba, no obstante, no alcanza a ser de un
orden de magnitud. Adicionalmente, se analizó el perfil de textura para un gel recién preparado
con goma al 0,5%, cuyos resultados se muestran en la figura 15 y la Tabla 11.
Figura 15. Perfil de textura del gel con goma xantana al 0,5%
Los resultados de la figura 15 permiten establecer que a simple vista el perfil de textura del
adhesivo con goma se comporta igual que el del método base. Esto es importante debido a que la
adición de un agente estabilizante cambia la composición química del gel, lo que puede
comprometer las propiedades tanto reológicas como mecánicas. Además, la goma xantana
también tiene un efecto espesante lo que ocasiona un aumento en la viscosidad de la solución.
Tabla 11: Propiedades mecánicas del adhesivo a los 12 minutos agregar goma xantana al
0,5%
Prueba Base Goma al 0,5%
Dureza (N) 0,00134±0,00082 0,00189 ± 0,00043
Cohesividad 0,570±0,81 1,21 ± 1,23
Adhesividad (MPa) 0,113±0,025 0,0668 ± 0,031
A partir de los resultados del TPA es posible concluir que, en primer lugar, la adición de un agente
estabilizante no compromete la dureza, ya que, las variaciones de esta propiedad no son
significativas. Adicionalmente, la cohesividad del adhesivo tampoco se ve comprometida, a pesar
de que esta propiedad aumenta con respecto al método base no es estadísticamente diferente. En
segundo lugar, en cuanto a la adhesividad la diferencia con respecto a la base es de 0,045MPa, lo
cual es similar al efecto de la velocidad y esto se puede dar debido a que la goma al ser un
espesante aumenta la cohesividad del material, pero hace mucho menor la fuerza de enlace con el
21
metal de la punta de la prueba. Sin embargo, estadísticamente agregar goma no tiene un efecto
significativo en las propiedades mecánicas del adhesivo.
Otro factor de interés es el análisis de las propiedades del adhesivo después de agregar la goma y
almacenar la suspensión de CC+HAp. Dado lo anterior, se realizó una prueba para un gel
preparado con una solución de CC+HAp con goma xantana al 0,5% pero además reposado por
24 horas. La diferencia más notable de la suspensión es que debido al carácter espesante de la
goma, después de agregada y esperado un día, la fluidez de la misma se vio comprometida pero
igual se pudo adicionar para la preparación del gel.
En cuanto al comportamiento del proceso de gelificación y reología la figura 16 y la tabla 12
muestran los resultados obtenidos para las réplicas realizadas y su respectiva comparación con el
método base.
Figura 16a y 16b. Módulos elástico y viscoso, tangente de delta comparando al adicionar
goma xantana almacenada con el método base
Tabla 12: Tiempo característico del adhesivo al agregar goma xantana al 0,5% y almacenar
la solución por 24 horas
Tiempo característico en (min) Promedio Desviación estándar
Base 15,448 0,76
Goma almacenada 14,460 2,32
Con respecto a los resultados obtenidos en la reología, en cuanto al tiempo característico, los
tiempos de las réplicas son similares a los tiempos que se obtiene con el método base, pero en
cuanto al valor final de los módulos, se alcanza, particularmente para los módulos elásticos un
valor incluso de un orden de magnitud mayor, lo que puede decir que efectivamente preparar el
adhesivo en estas condiciones aumenta su capacidad de retener energía, al igual que de disiparla.
Para la aplicación del adhesivo, no solo el valor final de los módulos es importante, sino también
el inicial. En el caso de los geles con goma, se puede observar que los módulos empiezan en
valores más altos, lo que puede ser un reto para la esparcibilidad al momento de la aplicación en
cirugía, pues a pesar de que en todos los geles prima el carácter sólido, módulos iniciales más
altos implican una necesidad de mayor energía para su aplicación. Los resultados del perfil de
textura se muestran en la figura 17 y la tabla 13.
22
Figura 17. Perfil de textura del gel adicionando solución de goma xantana almacenada
durante 24 horas
Tabla 13: Propiedades mecánicas del gel a los 12 minutos al agregar goma xantana al 0,5%
y almacenar la solución por 24 horas
Prueba Base Goma almacenada
Dureza (N) 0,00134±0,00082 0,00202 ± 4,949*10-5
Cohesividad 0,570±0,802 1,026 ± 0,0099
Adhesividad (Mpa) 0,113±0,0252 0,0624± 0,0417
De acuerdo a las pruebas estadísticas se logró establecer que no existe una diferencia significativa
en las propiedades del adhesivo incluso al almacenar la suspensión por 24 horas. Dado lo anterior,
se decide adoptar la goma como agente estabilizante de las suspensiones.
5. Conclusiones
Luego de concluido el estudio, se puede evidenciar que al cambiar la geometría de agitación las
propiedades del adhesivo si se ven comprometidas. Estos cambios sugieren que las causas pueden
ser variables de diseño del sistema como la cantidad de producto que se prepara, al igual que por
propiedades físicas como la incorporación de aire al material y su relación con las propiedades
mecánicas. Al cambiar la hélice de tipo propela por la geometría de la batidora se reduce la
cohesividad y la adhesividad del gel a la mitad aproximadamente. Sin embargo, con respecto a la
reología, ni el comportamiento de la respuesta elástica y viscosa, ni el tiempo característico de
gelificación son variables que se ven comprometidas. Para el diseño de la metodología se decidió
mantener la geometría y adaptarla al nuevo motor.
En cuanto a la velocidad de agitación, se pudo determinar que esta no es una variable que
comprometa las propiedades del gel de acuerdo con un nivel de significancia de 5%. Al modificar
esta variable, la dureza, la cohesividad y la adhesividad del gel se mantuvieron. Con respecto a la
reología cada una de las réplicas se comporta de manera similar a las réplicas del método base.
No obstante, a pesar de que estadísticamente no haya diferencia si se observó una reducción de la
adhesividad, como propiedad crítica, del 39%. Esto último sugiere para estudios futuros la
necesidad de evaluar si la practicidad de la preparación en cirugía debería justificar esta reducción
o si por el contrario se debería buscar un motor de fácil esterilización o diseñar un equipo para la
preparación del adhesivo en los quirófanos.
23
Durante el estudio, para reducir el efecto del aumento de la velocidad de agitación sobre las
propiedades reológicas y mecánicas del adhesivo, se redujo el diámetro de la geometría de
agitación para mantener la potencia de la agitación y la relación entre las fuerzas inerciales y
viscosas del gel. Los resultados obtenidos muestran que, la reología y las propiedades mecánicas
gel si se ven comprometidas. Esto posiblemente por las diferencias en las dimensiones del
recipiente y el agitador y la posible existencia de zonas sin agitación. Como se mencionó
anteriormente, la velocidad es una variable importante dentro del proceso de preparación del
adhesivo y dado que la reducción del diámetro no presentó resultados prometedores todavía existe
el reto de contrarrestar este efecto para un diseño óptimo de una metodología en el quirófano.
En cuanto al almacenamiento de las soluciones precursoras, al adicionar la goma xantana como
un agente estabilizante se pudo ver como se aumentan los módulos viscoso y elástico, pero no
hay variación mayor en la reología. En cuanto a las propiedades mecánicas del gel, dureza y
adhesividad, al adicionar la goma estas no tuvieron variación significativa como al modificar las
otras variables. Además de esto, se puede concluir que almacenar la suspensión de carbonato de
calcio, hidroxiapatita y ácido acético con la goma xantana por 24 horas no afecta las propiedades
mecánicas del adhesivo y se conserva la estabilidad de la suspensión. Luego de este resultado y
lo estudiado en trabajos anteriores, se puede concluir que a este punto se podrían almacenar las
tres soluciones precursoras del adhesivo a 4°C sin comprometer su funcionalidad y reduciendo el
tiempo de preparación en cirugía en hasta un 42%.
Para finalizar, es importante resaltar también que tanto las pruebas realizadas como el bioadhesivo
que se está estudiando son sensibles a factores externos. En cuanto al gel, este es un producto
complejo, en algunos casos se tuvieron que repetir algunas réplicas debido a que los geles
obtenidos no tenían relación alguna con resultados anteriores y esto explica la alta variabilidad.
Lo anterior ocurre debido a que el producto no solo depende de la agitación, sino también de las
reacciones químicas de gelificación y la pureza de los reactivos. El adhesivo es una red polimérica
que se forma con enlaces de coordinación y entrecruzamiento covalente y su cinética se puede
ver afectada por variables que no se controlan en este estudio. En cuanto a la prueba, las
variaciones propias de factores no controlables como la humedad, temperatura, posición relativa
de la punta en el recipiente, entre otras, también contribuyen a las altas desviaciones.
6. Trabajo a futuro
A partir de los resultados obtenidos, como trabajo a futuro se propone:
i. Evaluar la posibilidad de reducir el voltaje que entrega la batidora para obtener una
reducción en la velocidad.
ii. Buscar o diseñar otros equipos que puedan ser utilizados en la sala de cirugía que alcancen
velocidades más bajas, similares a las utilizadas en el método base.
iii. Evaluar la reducción del tiempo de agitación para compensar el efecto que tiene la
velocidad de agitación en las propiedades del adhesivo.
iv. Diseñar un protocolo de esterilización de los equipos, reactivos y la metodología de
preparación del adhesivo para implementarlo en un ambiente quirúrgico.
v. Evaluar la pertinencia de cambiar la prueba por una específica de adhesión que permita
cuantificar resultados menos variables y considerando el uso de otra punta con diámetro
similar al sugerido por la literatura.
vi. Almacenar la solución de carbonato de calcio e hidroxiapatita con goma xantana por un
tiempo superior a 24 horas y posteriormente preparar geles para evaluar si las propiedades
reológicas y mecánicas se ven afectadas.
24
7. Referencias
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[4] A. Di Martino, M. Sittinger y M. Risbud, «Chitosan: A Vesatile Biopolymer for Ortopedic
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[6] P. Sarmiento y F. Salcedo, «Metodología de preparación de hidrogeles de quitosano en un
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Tabima, F. Salcedo, J. C. Briceño y J. P. Casas, «Evaluation of a Water-resistant and
Biocompatible Adhesive with potential use in Bone Fractures,» Journal of Adhesion
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[13] L. Pinzon, «Desarollo y caracterización física, química y mecánica de un compuesto a base
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8. Anexos
Anexo 1: Proceso de gelificación para el método base
Figura 14. Módulos elástico y viscoso del gel preparado con el método base.
Figura 15. Tan de delta para gel preparado con método base con dos réplicas
27
Anexo 2: Resultados de las pruebas de estabilidad para las diferentes variaciones realizadas
Figura 16. Transmisión y retro-dispersión solución de HAp y CC recién preparada
Figura 17. Transmisión y retro-dispersión solución de HAp y CC reposado un día agitado 5
minutos con el Vortex Shaker
Figura 18. Transmisión y retro-dispersión solución de HAp y CC reposado un día.
28
Figura 19. Transmisión y retro-dispersión solución de HAp y CC con goma xantana al 1%.
Figura 20. Transmisión y retro-dispersión solución de HAp y CC con goma al 0,2%
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Anexo 3: Resultados de las pruebas estadísticas
Tabla 14. pvalues para las pruebas estadísticas
Variación Propiedad pvalue
Geometría de
agitación
Tiempo característico 0,795
Dureza 0,928
Adhesividad 0,044
Velocidad de
agitación
Tiempo característico 0,86
Dureza 0,635
Adhesividad 0,488
Diámetro del
agitador
Tiempo característico 0,0649
Dureza 0,569
Adhesividad 0,058
Método de
preparación en
cirugía
Tiempo característico 0,0629
Dureza 0,874
Adhesividad 0,0548
Goma xantana al
0,5%
Tiempo característico 0,883
Dureza 0,66
Adhesividad 0,208
Goma xantana al
0,5% almacenada
por 24 horas
Tiempo característico 0,522
Dureza 0,225
Adhesividad 0,119