Biobased chitosan scaffolds for application in tissue engineering
José J. Cedillo-Portilloa, Adali O. Castañeda-Facio a, Sandra C. Esparza-González b, Rosa Idalia Narro-Céspedesa, Elia Martha Muzquiz-Ramos a, Aidé Sáenz-Galindo a*
a Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de Ciencias Químicas Blvd. Venustiano Carranza y José Cárdenas Valdés. C.P. 25280, Saltillo Coahuila, México.
b Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de Odontología, Ave. Doctora Cuquita Cepeda de Dávila sin número. Col. Adolfo López Mateos. C.P. 25125, Saltillo Coahuila, México.
Correspondencia para autor: José Juan Cedillo Portillo
Universidad Autónoma de Coahuila
Correo: juan_cedillo_portillo@uadec.edu.mx
CienciAcierta No. 64 Octubre – Diciembre de 2020
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Resumen
En la actualidad el uso de materiales a base de biopolímeros ha tomado una importancia considerable debido a la biocompatibilidad y biodegradabilidad que algunos de estos presentan, por lo que diversos autores han reportado estudios sobre biopolímeros como: el ácido poli-L-láctico (PLLA), policaprolactona (PCL), poliuretanos (PU) y quitosano (Q) con aplicaciones en áreas, como: biomédica, resaltando estos tipos materiales como buenos candidatos para aplicaciones en ingeniería de tejidos. Entre los polímeros biobasados que más se han estudiado es el quitosano debido a que es un polímero biocompatible y biodegradable, sin embargo, la limitante para este y otros polímeros naturales es su baja estabilidad mecánica, por lo cual algunos autores han recurrido al entrecruzamiento como un proceso para modificar la matriz polimérica y mejorar sus propiedades mecánicas, así mismo, como a la integración de nanoestructuras o nanopartículas, es por lo anterior que la finalidad de la presente revisión bibliográfica aborda un panorama sobre biopolímeros biobasados como el quitosano y la incorporación de nanoestructuras de carbono y de nanopartículas inorgánicas, así como, la importancia del agente de entrecruzamiento, para potencializar la implementación de este tipo de compuestos, en la ingeniería de tejidos.
Palabras Claves: Biopolímeros, NTCPM, Nanopartículas inorgánicas, Quitosano.
Abstract
Currently, the use of materials based on biopolymers has taken on considerable importance due to the biocompatibility and biodegradability that some of these present, for which several authors have used biopolymers such as: poly-L-lactic acid (PLLA), polycaprolactone (PCL), polyurethanes (PU) and chitosan (Ch) for applications in various areas, including biomedical, highlighting these types of materials as good candidates for applications in tissue engineering. Among the biobased polymers that have been studied the most is chitosan because it is a biocompatible and biodegradable polymer, however, the limitation for this and other natural polymers is its low mechanical stability, for which some authors have resorted to crosslinking as a process to modify the polymeric matrix and improve its mechanical properties, likewise, as well as the integration of nanostructures or nanoparticles, it is for this reason that the purpose of this bibliographic review addresses an overview of bio-based biopolymers such as chitosan and the incorporation of nanostructures of carbon and inorganic nanoparticles, as well as, the importance of the crosslinking agent, to potentiate the implementation of this type of compounds, in tissue engineering.
Key words: Biopolymers, MWCNT, Inorganic nanoparticles, Chitosan.
Introducción
Cada año un gran número de personas requieren remplazos óseos por defectos esqueléticos causados por accidentes o enfermedades que no son capaces de sanar por sí solas. En los últimos años, la ingeniería de tejidos se ha enfocado recientemente en el remplazo y la reparación de tejidos dañados o defectuosos en el cuerpo humano. Ingeniería de tejidos o medicina regenerativa, es la rama de la bioingeniería que se enfoca en combinar células y métodos de la ingeniería de materiales para mejorar o remplazar funciones biológicas en el cuerpo humano (Eivazzadeh-Keihan y col., 2019), ingeniería de tejidos es un campo de la bioingeniería donde diferentes ramas de las ciencias interactúan como con: la química, la física, la medicina, ingeniería y biología. Recientemente la mayoría de las investigaciones se han centrado en andamios a base de materiales biobasados, que son estructuras que actúan como plataformas de anclaje y adhesión para las células, de esta manera, deben de tener un diseño idóneo como una porosidad interconectada, un tamaño y dureza dependiendo de la aplicación, para promover el crecimiento óptimo de las células. (Perez-Puyana y col., 2020a). En la Figura 1. Se presenta una imagen de un andamio biobasado.
El tejido óseo es conocido por su capacidad de autocuración el cual consta de tres etapas, siendo estas inflamación, producción de hueso y remodelación de hueso, no obstante, los defectos óseos a gran escala no pueden ser sanados completamente por el cuerpo, por lo cual es necesario un tratamiento externo para la restauración de las funciones normales del hueso, por consiguiente, se están investigando nuevos biomateriales y nuevas técnicas de andamiaje (Moreno y col., 2019). Estos andamios o plantillas proporcionan un microambiente en donde las células se adhieren, crecen, se diferencian y migran, es importante que los andamios no generen ninguna respuesta inmune durante su administración, así mismo, deben ser biodegradables o bioreabsorbibles para facilitar la formación del tejido (Dave y Gomes, 2019).
Se han buscado diversos tipos de biomateriales, los cuales puedan ser utilizados en este tipo de aplicaciones, con diversas matrices: metálicas, cerámicas y poliméricas. Según la Sociedad Europea de Biomateriales (ESB) por sus siglas en inglés, un biomaterial se describe como un material que interactúa con un sistema biológico para diagnóstico, tratamiento o remplazar cualquier tejido u órgano o función del cuerpo. Entre los diferentes tipos de materiales, los biomateriales poliméricos destacan por presentar propiedades únicas como la preparación controlable, procesamiento fácil y la versatilidad, siendo utilizados en diversas áreas donde se destacan, ingeniería de tejidos y el acarreamiento de fármacos (Zou y col., 2018). El objetivo de esta revisión bibliográfica es describir algunas de las principales propiedades y aplicaciones del quitosano y la integración de nanoestructuras a base de carbono, así como de nanopartículas inorgánicas para la aplicación de este tipo de materiales biobasados en la ingeniería de tejidos.
Andamios a base de quitosano para ingeniería de tejidos
En el 2020 las opciones más utilizadas son los polímeros sintéticos aunque las opciones más atractivas son los polímeros naturales o también llamados biobasados (Dong y col., 2020), debido a que al menos una parte de su estructura química provienen de fuentes naturales pudiendo ser o no biodegradable, el quitosano es un polisacárido natural ampliamente utilizado por si solo o mezclado con diferentes polímeros o cerámicos para la obtención de andamios en ingeniería de tejido óseo. Algunos estudios han reportado la buena proliferación celular, la adhesión y la mineralización para este tipo de compuestos a base de quitosano, no obstante, el uso de estos biopolímeros se ve limitado por las bajas propiedades mecánicas que presentan, por ello, las investigaciones se han centrado en el diseño y obtención de materiales compuestos para abatir este tipo de desventajas mediante la adición de nanoestructuras a base de carbono o nanopartículas inorgánicas.
En la Figura 2, se presenta la estructura química del quitosano, la cual posee múltiples grupos funcionales como alcoholes, aminas, amidas y éteres, lo que le brinda la capacidad de ser altamente reactivo y poder interactuar con diferentes moléculas a la hora del entrecruzamiento, lo cual es muy favorable debido a que por si solo el quitosano presenta bajas propiedades mecánicas (Balagangadharan y col., 2018).
Karakeçili y col. (2019) reportaron la obtención de un material a base de quitosano con nanocristales de Zeolitic imidazolate framework (ZIF8) cargados con vancomicina, preparados mediante hilatura en húmedo, es un tipo de extrusión preparados mediante extrusión reactiva. obteniendo una eficiencia de carga del fármaco del 99.3% además, lograron una liberación controlada sensible al pH 7.4. Por otro lado, los andamios con los nanocristales a diferencia de los andamios de quitosano puro, mostraron un efecto antimicrobiano contra S. aureus, así como actividad osteogénica y de proliferación celular, reportándolo como un posible sustituto óseo con entrega de fármacos.
Recientemente los investigadores Perez-Puyana y col. (2020a) reportaron la obtención de un andamio a base de quitosano con gelatina, el cual se obtuvo mediante tres procesos distintos. Sin embargo, todos los procesos tenían en común los tradicionales pasos para la preparación de andamios, mediante la técnica de separación de fases, la cual consiste en la preparar la solución polimérica, posteriormente centrifugación, después llevarla a congelarla y finalmente liofilizarla. Logrando mejorar las propiedades mecánicas, esto debido al diseño de las concentraciones óptimas para la formación del andamio. Además del tratamiento térmico antes de congelar la solución polimérica.
Andamios a base de quitosano entrecruzados Se han reportado diversos andamios a base de quitosano debido a las excelentes propiedades con las que cuenta, no obstante, una limitante para la utilización de este polisacárido es su baja estabilidad mecánica, por lo cual numerosos autores han reportado el entrecruzamiento tanto químico como físico para coadyuvar a esta desventaja. En la Tabla 1, se presenta algunos andamios a base de quitosano entrecruzados con diferentes agentes de entrecruzamiento, destacando que las moléculas orgánicas multifuncionales son los candidatos ideales para el entrecruzamiento de este tipo de andamios.
Tabla 1. Andamios a base de quitosano con diferentes agentes de entrecruzamiento.
Andamios a base de quitosano con nanopartículas inorgánicas
Otra de las alternativas que se han estudiado por numerosos investigadores, es la integración de nanopartículas o nanoestructuras para dar mayor resistencia mecánica al andamio, así como, potencializar alguna de sus propiedades como la adherencia celular y la proliferación. Rubina y col. (2016) reportaron la obtención de un andamio a base de quitosano con colágeno y la adición de nanopartículas de Ag y Au, ellos encontraron que este tipo de nanopartículas brinda propiedades magnéticas, así como, una mejor actividad antimicrobiana para los andamios.
Por otro lado, para favorecer la cicatrización de heridas Rezaii y col. (2019) estudiaron la integración de nanopartículas de curcumina, el cual es un antioxidante natural sobre andamios a base de colágeno y quitosano, revelaron un aceleración en la cicatrización de la herida, debido a la integración de las nanopartículas así como, al contenido de colágeno, reportando este tipo de andamios como un potente material tópico ideal para la cicatrización de heridas cutáneas. La porosidad de los andamios es un factor importante para promover la adhesión celular por lo que Hasan y col. (2018) estudiaron el efecto de la integración carboximetil celulosa y nanopartículas de Ag, sobre andamios a base de quitosano, reportando que la cabrboximetil celulosa aumentó hasta en un 80-90% la porosidad de los andamios, además estos autores lograron mejorar la resistencia a la compresión de 0.35 MPa a 3.95 MPa, que es similar a la del hueso, esto debido a las nanopartículas, así mismo, los andamios mostraron un aumento en la propiedad antimicrobiana.
Andamios a base de quitosano con nanoestructuras a base de carbono
Al mismo tiempo, otra de las opciones que se han investigado hoy en día, es la integración de nanoestructuras a base de carbono con el fin de favorecer la resistencia mecánica y brindar una mayor porosidad y proliferación celular para este tipo de andamios a base de quitosano (Yılmaz,y col., 2019), en la Tabla 2, se muestran algunos andamios a base de quitosano y la integración con nanoestructuras a base de carbono como nanotubos de carbono de pared multiple (NTCPM) y óxido de grafeno (OG). Observando que la integración de este tipo de nanoestructuras a base de carbono le brinda propiedades únicas al andamio como una buena porosidad interconectada, una mayor estabilidad térmica, una conductividad eléctrica adecuada y sobre todo una mayor proliferación celular.
Tabla 2. Andamios a base de quitosano con nanoestructuras de carbono.
En la Tabla 3 se presentan algunas de las principales patentes para andamios utilizados en ingeniería tejidos, destacando que la investigación de este tipo de materiales se da principalmente en Estados Unidos de Norte América y Corea del Sur, por lo cual, tiene una importancia considerable el estudio de este tipo de andamios a base de polímeros bisbisados.
Tabla 3. Las principales patentes para compuestos de quitosano empleados en la ingeniería de tejidos.
Conclusiones
En la presente revisión bibliográfica se describen algunas de las importantes propiedades y aplicaciones del quitosano, el cual es un polímero natural y biobasado que se ha destacado por la buena biocompatibilidad y degradación que presenta, lo cual lo hace un buen candidato para aplicaciones en la biomedicina.
Sin embargo, presenta algunas limitantes, como su baja estabilidad química y mecánica. Por tal motivo se hace uso del entrecruzamiento para abatir estas desventajas, así como, la integración de nanoestructuras de carbono e hidroxiapatita para lograr una mejor estabilidad tanto química como mecánica, lo que está de acuerdo con lo reportado por diversos autores en esta revisión. Esto conlleva a concluir que la obtención de materiales compuestos biobasados como los reportados son candidatos idóneos para aplicaciones en ingeniería de tejidos.
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