Sistemas poliméricos basados en proteína de soja para ingeniería de tejidos

Abstract

En los últimos años, la ciencia e ingeniería de biomateriales, con el enfoque de obtener matrices que mimetizan la estructura de la matriz extracelular para la ingeniería de tejidos, ha avanzado en el desarrollo de estructuras a niveles micro- y/o nanométricos. El electrohilado es una técnica ampliamente utilizada para la obtención de matrices micro- y/o nanofibrosas que presentan propiedades topográficas de gran interes, como: estructura porosa con poros interconectados, gran área superficial y alta relación entre el largo y el diámetro de las fibras; que favorecen la adhesión, la proliferación y la diferenciación celular. Dependiendo de la morfología, porosidad y composición de las matrices, es posible modular la interacción entre las células y la interfaz e inducir la regeneración o formación de un tejido. En el Capítulo 1, se introduce el trabajo en general y de definen el objetivo general, los objetivos específicos y la hipótesis de esta tesis doctoral. En el Capítulo 2, se definen los biomateriales y la ingeniería de tejidos. Se presentan las técnicas de obtención de matrices porosas utilizadas cuando se busca la regeneración de tejidos y órganos; entre ellas, se describe la técnica de electrohilado que fue usada para el desarrollo de esta tesis. Además, se describe la proteína de soja, biopolímero foco de este trabajo, y sus propiedades. En el Capítulo 3, se describen todos los avances publicados hasta la fecha de matrices electrohiladas basadas en proteína aislada de soja (SPI) que luego sirvieron como base para la obtención de las matrices propuestas por este trabajo. Las primeras pruebas se llevaron a cabo con soluciones alcalinas de hidróxido de sodio (NaOH) que luego fueron sustituidas por soluciones en ácido acético. Las soluciones se caracterizaron en cuanto a sus propiedades intrínsecas para determinar la influencia de la composición polimérica en su electrohilabilidad. De esta manera, las matrices obtenidas fueron caracterizaras por SEM, FTIR, DSC y TGA; a partir de las micrografías SEM se observó la microestructura fibrosa, se calcularon los diámetros de fibras y se determinó la influencia de algunos parámetros de procesamiento en la morfología de las fibras. También se estudió la influencia de la humedad relativa (HR) en la obtención de las fibras electrohiladas. Por último, debido a la extensión de tiempo que requiere el procesamiento de las soluciones y pequeño espesor obtenido en las matrices, se propuso el sistema bicapa para mejorar la manipulación de las membranas, por lo que la capa inferior se preparó con policaprolactona (PCL) nanofibrosa. En el Capítulo 4, se proponen diferentes sistemas de entrecruzamiento de las cadenas de SPI, para evitar la disolución de las matrices desarrolladas. Se emplearon tripolifosfato de sodio (STPP) y trimetafosfato de sodio (STMP) como entrecruzantes físicos. Estos sistemas indujeron una gran cantidad de defectos en las fibras electrohiladas y no mejoraron la estabilidad en medio acuoso. Luego, se propusieron dos entrecruzamientos químicos de la SPI, una modificación química para obtener una proteína fotoentrecruzable (SPIMA) y el uso de sacarosa oxidada (SO) como entrecruzante químico. Se describen los procesos de modificación química de la SPI y de la oxidación de la sacarosa y sus respectivas optimizaciones. Las matrices basadas en SPIMA y entrecruzadas presentaron una mejor su estabilidad en medio acuoso, pero no lo suficiente para la aplicación en ingeniería de tejidos. Por otro lado, el entrecruzamiento de las cadenas de SPI con SO aumentó la estabilidad en medio acuoso y fue el método elegido para continuar los estudios de la tesis. En el Capítulo 5, se presentan sistemas nanofibrosos diseñados con membranas con fibras orientadas al azar y alineadas a partir del electrohilado coaxial. Para el núcleo se empleó PCL, mientras que la coraza se utilizó SPI, PEO y SO. Las propiedades de las fibras fueron caracterizadas por SEM, FTIR, DSC y TGA. Además, se caracterizaron las membranas por TEM, microscopía de fluorescencia y microscopía confocal para verificar si existencia de la configuración núcleo/coraza. Aunque los resultados de los estudios realizados proporcionaron algunos indicios de la presencia de SPI-SO sobre la superficie, no fueron conclusivos en la determinación de una estructura núcleo-coraza. En el Capítulo 6, se propone el uso de la radiación ultravioleta germicida (UVC – 254 nm) para la esterilización de las membranas electrohiladas. Posteriormente, se estudia el efecto de la radiación sobre las matrices. No se observaron cambios morfológicos a partir de las micrografías SEM, pero se produjo un aumento de la hidrofilicidad de la capa de SPI-OS dependiente del tiempo de exposición a la radiación. Por otro lado, la capa de PCL no presentó cambios en la hidrofilicidad, pero sí una reducción del tamaño de cadena y un aumento de la cristalinidad. Por último, el ensayo de validación de esterilidad confirmó que la exposición de 10 minutos a la luz UV fue suficiente para garantizar la esterilidad del material. En el Capítulo 7, se presentan los resultados de los estudios in vitro realizados con las membranas obtenidas por electrohilado coaxial y uniaxial. Los resultados fueron compatibles con una alta viabilidad celular y que los fibroblastos dérmicos humanos presentaron morfología citotípica sobre las membranas, lo que indica una buena adhesión celular. Además, se observó el efecto de la topografía en las membranas con fibras alineadas, sobre las cuales las células se alinearon preferentemente en la dirección de las fibras. Por último, en el Capítulo 8, se presentan las conclusiones más importantes de esta tesis y algunas propuestas de trabajos futuros, necesarios para seguir el desarrollo de un potencial producto. Mail del autor Matthäus Popov <matthauspopov@fi.mdp.edu.ar>