Impresión 3d de estructuras porosas basadas en poliuretanos para aplicaciones en ingeniería de tejidos

Abstract

Desde hace más de tres décadas los biomateriales han jugado un rol clave en el campo de la medicina regenerativa e ingeniería de tejidos. En este contexto, el desarrollo de matrices extracelulares artificiales y dispositivos biomédicos implantables constituye un enorme desafío que abordan los principales grupos de investigación a nivel mundial. Si bien existe una amplia variedad de técnicas para obtener sistemas porosos, no todas resultan apropiadas para la fabricación de formas tridimensionales complejas. Hoy en día, la impresión 3D ofrece muchas ventajas en medicina, incluyendo la rápida fabricación, alta precisión, bajo costo y diseño a medida, pudiendo emplearse modelos y/o imágenes obtenidas directamente de tomografías computarizadas del paciente. Sin embargo, si bien actualmente existe un mercado creciente de filamentos con una amplia variedad de propiedades, la oferta de materiales para dispositivos biomédicos aún es escasa. Los biomateriales para ingeniería de tejidos deben degradarse in vivo a productos no tóxicos, y reabsorberse o excretarse mediante rutas metabólicas, en sincronización con la formación de tejido nativo. A estas características se suma la necesidad de conformar una estructura con propiedades mecánicas adecuadas y elevada porosidad para favorecer la infiltración, proliferación y diferenciación celular, que conducen a la formación de un nuevo tejido. Desde este punto de vista, los polímeros sintéticos biorreabsorbibles resultan relevantes, y en aquellos casos en los que se requieren materiales con cierta elasticidad, tenacidad y comportamiento a la fatiga, los poliuretanos segmentados (SPU) representan una alternativa interesante. Los SPU son copolímeros en bloque que se utilizan ampliamente debido a su buena biocompatibilidad y a su versatilidad química y estructural. A partir de una selección adecuada de los monómeros y de la relación entre segmentos blandos y duros se pueden obtener materiales con una amplia variedad de propiedades. Esta tesis doctoral aborda dos aspectos de fundamental importancia: el desarrollo de nuevos biomateriales y su procesamiento mediante una técnica de vanguardia como es la manufactura aditiva mediante modelado por deposición fundida (FDM). El estudio de los distintos sistemas diseñados se centró en la relación estructura-propiedades-procesamiento-aplicaciones. En primer lugar, se presenta la síntesis de una serie de poli(éster uretanos) segmentados lineales biorreabsorbibles (SPEU) con alto contenido de segmentos duros (50, 60 y 70% p/p), denominados SPEU50, SPEU60 y SPEU70, respectivamente. Los materiales se sintetizaron mediante el método de polimerización en dos etapas o del prepolímero utilizando como reactivos: 1,6-hexametilendiisocianato (HDI), poli(ε-caprolactona) diol (PCL diol) y 1,4-butanodiol (BDO) como extendedor de cadena. Posteriormente, se realizó la caracterización fisicoquímica y térmica de los productos para evaluar su potencialidad para el procesamiento por extrusión y FDM. En base a los resultados obtenidos, se seleccionaron las formulaciones más promisorias y se escaló la reacción de polimerización en un reactor de manera de obtener cantidad suficiente de los materiales. Seguidamente, se fabricaron filamentos de SPEU50 y SPEU60 empleando una extrusora de doble tornillo paralelo. Para mejorar las propiedades mecánicas y la biocompatibilidad, se fabricaron filamentos compuestos de SPEU mediante la incorporación de poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV, un poliéster alifático sintetizado por microorganismos) y de partículas cerámicas tales como vidrios bioactivos comerciales (Bioglass ® 45S5) y vitrocerámicos (GC) con apatita y wollastonita como fases cristalinas. Los distintos sistemas obtenidos resultaron extruíbles, sin necesidad de utilizar plastificantes ni aditivos. Se realizó una caracterización morfológica, fisicoquímica, térmica y mecánica completa de los distintos filamentos fabricados. Asimismo, los filamentos obtenidos se procesaron mediante la técnica de FDM para la preparación de las distintas matrices porosas. La optimización de los parámetros de procesamiento, así como el trabajo con distintos programas de diseño CAD y propios del funcionamiento de la impresora permitieron fabricar estructuras 3D reproducibles con micro y macroestructuras controladas. Se diseñaron piezas pequeñas con porosidad abierta e interconectada minimizando los defectos de impresión. Posteriormente, se realizó un estudio térmico, fisicoquímico, morfológico y mecánico de las estructuras obtenidas. Además, se llevaron a cabo ensayos de estabilidad hidrolítica en PBS y de caracterización in vitro que incluyeron: estudios de bioactividad, de viabilidad, proliferación y adhesión celular, permitiendo inferir el comportamiento biológico de las matrices 3D fabricadas en esta tesis para aplicaciones en ingeniería de tejidos. Mail del autor Nayla Lores <naylalores@gmail.com>