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¿Qué son los Biomateriales?
Material biocompatible
Un biomaterial, material biocompatible o material bioaplicable es un material sintético o de origen orgánico utilizado para crear dispositivos capaces de reemplazar una parte del organismo o de funcionar en contacto directo con un tejido vivo de manera segura, confiable biocompatible.
El biomaterial se implanta con el objeto de reemplazar o regenerar tejidos vivientes y sus funciones.
Son muy pocos los materiales biocompatibles son aceptados por todo cuerpo, por tal razón no puede clasificarse un material como tal de forma definitiva. Algunos de los materiales biocompatibles más comunes son el titanio para implantes o el acero.
Biocompatibilidad
La biocompatibilidad es la aceptación de un implante artificial por los tejidos vivos de nuestro cuerpo en sí. Para determinar la biocompatibilidad o toxicidad de un material, es necesario realizar diferentes pruebas y considerar diferentes factores, tales como:
- Una descripción general del material o dispositivo
- Determinar cual será su función o posible aplicación
- Determinar su grado de contacto con tejido vivo
- La naturaleza química del material
- (^) Analizar la toxicidad y biodisponibilidad de cada compuesto químico del material. Clasificación de Biomateriales
Por su fuente:
- (^) Naturales
- Autógeno: obtenido del mismo individuo que recibirá el injerto
- Alo-injerto: proveniente de otro individuo y no del que recibirá el injerto
- Xeno-injerto: proveniente de otra especie que no sea humana
- Sintéticos
Por su rol biológico
- Tóxico
- Bio-inerte: no hay interacción con el cuerpo, pueden permanecer largos periodos de tiempo en un entorno altamente corrosivo de fluidos corporales. Se suelen emplear para implantes permanentes, cirugía maxilofacial y craneal. Ejemplos: titanio, cromo-cobalto, y sus aleaciones o materiales cerámicos basados en alúmina, zircona y óxido de magnesio.
- Bio-activo: participa activamente en la reparación de tejido. Se utilizan para implantes dentales y prótesis ortopédicas. Ejemplos: hidroxiapatita de alta densidad, compuestos de titanio, vidrios bio-activos y algunas cerámicas vítreas.
- Bio-reabsorbible: se reabsorbe y provee elementos necesarios para la reparación de tejido.
Por su tiempo de uso y funcionamiento:
- Temporales
- No reabsorbibles o Biodegradables
- Permanentes
Por composición:
- Cerámicos: presentan buena biocompatibilidad, resistencia a la corrosión e inercia química. Sin embargo presentan problemas ante esfuerzos de alto impacto, son inelásticos, poseen alta densidad y son difíciles de producir. Algunos ejemplos son el óxido de aluminio, aluminatos de calcio, óxidos de titanio y algunos carbonos.
implante in vivo son casi imposibles. Sin embargo las pruebas in vitro deben ser realizadas antes del implante.
Dispositivos como miembros artificiales, amplificadores de sonido para el oído y prótesis faciales externas, no son considerados como implantes.
En este caso nos enfocaremos en los biomateriales
asociados a la seda.
Biomateriales de Seda.-
Los grandes avances que se dio en la ciencia en los últimos años a aumentado nuevos campos en la medicina regenerativa y la ingeniería de tejidos. Estos conceptos se basan en la posibilidad real de aislar celulas troncales indiferenciadas, desarrollarlas en soportes adecuados y favorecer su diferenciacion a diversos tejidos mediante la accion de factores de crecimiento celular específicos. Esto abre una posibilidad de producir tejidos humanos nuevos capacaces de sustituir a los tejidos dañados en el organismo de un ser humano evitando el riego de rechazo del sistema inmune del cuerpo. Afortunadamente se dispone de una gran variedad de Biomateriales adecuados para estas aplicaciones. Gran parte son sintéticos en tanto otros son de origen natural. La seda como biomaterial, a través de su uso en suturas quirúrgicas fue hace muchos años y datan del siglo XVIII. Pero los nuevos conocimientos que se adquirieron sobre las propiedades de este producto se abrieron a muchas nuevas aplicaciones.
Estructura y cualidades de la seda como Biomaterial
La seda es segregada por las glándulas sericígenas del gusano de seda, que la utiliza para elaborar su capullo que es una estructura cerrada de protección en la que realiza su metamorfosis de larva a adulto. Tal como es segregado el hilo de
seda puede llegar a medir 1500 metros de tamaño, y consta de 2 proteinas, una de ellas la fibroina, que es una proteína polimerica y lineal, y la otra proteína es la sericina, hidrosoluble y de estructura globular, que mantiene unidos los filamentos de fibrona. La proteína mas útil es la fibrona que presenta características que la hacen muy interesante como biomaterial: •.a. Es un material de naturaleza proteica, que es altamente biocompatible con el cuerpo. No se verifica un rechazo o una respuesta inflamatoria del cuerpo en los tejidos donde se inserta este biomaterial. •.b. Tiene una gran resistencia mecánica a la tracción y también una gran flexibilidad. •.c. Puede elaborarse en diferentes configuraciones según las necesidades. •.d. Su producción es sencilla y sostenible. La cria del gusano de seda es sencilla y de bajo coste. •.e. Presenta la interesante propiedad de tener una superficie altamente reactiva. Su superficie presenta grupos carboxilo.
Presentación y elaboración de la seda como Biomaterial
Una de las ventajas de la fibroina de la seda como biomaterial es su gran versatilidad de todas sus presentaciones junto con su facilidad de fabricación. Para la utilización de la seda como biomaterial es la eliminación de la sericina. Lo que se logra mediante un proceso de ebullición en una solución jabonosa. Tras un filtrado se obtiene una madeja de textura similar al algodón, construida por completo por fibroina. La presentación mas sencilla de la fibroina es en forma de film y recubrimientos de otros materiales. Este film puede actuar también como recubrimiento de otros biomateriales o actuar como recubrimiento de otros biomateriales o actuar en otras mezclas con dichos biomateriales. El efecto obtenido es la mejora de las cualidades de los materiales por separado.
Aplicaciones de los Biomateriales de seda
La versatilidad de la fibroina como biomaterial la hace apta para cualquier tipo de aplicación en Ingeniería Tisular. Sin embargo, las aplicaciones que están mas maduras y cercanas a su aplicación final lo son en el campo de la regeneración de hueso, cartílago y ligamentos. En este sentido, una aplicación muy interesante es la reconstrucción de ligamento cruzado de la rodilla mediante la elaboración de un cordón de fibras de seda. Esta aplicación esta ya en fase comercial en Estados Unidos, por parte de una compañía especializada en el desarrollo de biomateriales basados en fibroına de seda. Ya se ha demostrado que la fibroina es altamente biocompatible con tejido nervioso, y se han desarrollado construcciones de configuración tubular destinadas a guiar el crecimiento axonal de nervio periférico, que a la vez liberan factores de crecimiento de nervio para estimular este desarrollo. Aparte de las aplicaciones mencionadas, hay otras muchas en desarrollo en este momento, y otras muchas posibles que todavía no se han comenzado a explorar. La entrada de la fibroina en el repertorio de armazones para crecimiento y diferenciación celular es relativamente reciente, alrededor de una década, por lo que aun no se ha aprovechado todo su potencial. En cualquier caso, la conclusión que se extrae tras consultar la abundante bibliografía sobre el tema es que la fibrina de la seda ofrece una gran versatilidad en su presentación, resistencia mecánica, biocompatibilidad, y reactividad química en la superficie que permite la adhesión de todo tipo de moléculas bioactivas. Todo ello lo convierte en un sustrato casi ideal para el crecimiento y diferenciación de células humanas. Por tanto, una vez realizados los ensayos clínicos y los procesos de validación correspondientes, los biomateriales de fibroina van a ser de gran utilidad en el campo de la Ingeniería Tisular.
Biodegradacion.-
La biodegradación de seda se estudia con base a la pérdida de masa, cambio en la morfología y análisis de los productos degradados in vitro. Del mismo modo, la
degradación se prueba en modelos animales mediante la evaluación de las propiedades mecánicas de la seda después de la implantación durante cierto tiempo y el estudio estructural de la integridad de los exámenes histológicos, tinción fluorescente y diversos ensayos bioquímicos. La fibroína regenerada se degrada mucho más rápido que las fibras y su velocidad de degradación depende de la estructura secundaria de la seda resultante de la preparación de los materiales de seda regeneradas. Se ha observado que los biomateriales de seda no solamente son biodegradables sino también bio-reabsorbibles en procesos mediados por los macrófagos y la quimotripsina de páncreas bovino son capaces de promover la degradación de los materiales fabricados de seda, de igual manera se ha identificado que las células in vitro, osteoblastos y osteoclastos podrían erosionar películas de seda a través de la expresión de las metaloproteinasas (MMPs) e integrina. Estos resultados son alentadores en la medida que la matriz extracelular nativa se remodela continuamente in vivo. La seda tiene claras ventajas sobre otros biomateriales en varios aspectos de biodegradación. Por ejemplo con biomateriales sintéticos como poliglicólidos y poliláctidos, que son aprobados por las autoridades reguladoras ya que los productos degradados se reabsorben a través vías metabólicas, sin embargo, la liberación de subproductos ácidos es un tema de preocupación. Estos problemas no se presentan con la seda, además, los materiales sintéticos pierden sus propiedades muy temprano después de la implantación. Por otro lado, la conservación de la fuerza durante un largo tiempo por muchos sistemas de seda puede ser una ventaja particularmente en aquellos en donde la degradación lenta se requiere con el fin de mantener la capacidad de soporte de carga. A pesar de tales ventajas, un conocimiento profundo de los procesos de degradación y eliminación de seda necesita mayor investigación.
Aplicaciones de los biomateriales de fibroina de gusano
de seda en ingenieria de tejidos
La sustitución de una parte del cuerpo humano por un biomaterial requiere de una buena comunicación entre el hospedero y el sistema implantado con el fin de
fibroína de seda con quitosano son capaces de cubrir un defecto en el nervio ciático en un espacio de 10 mm de largo en ratas. Los avances en este tema se han orientado a la producción de poros y la adición de factores neurotróficos para el crecimiento neuronal, con el fin de mejorar el resultado de los injertos de nervio basados en seda.
Regeneración de piel
La piel es el órgano más grande en el ser humano y actúa como barrera para organismos infecciosos. Tiene una capacidad de auto-sanación limitada y en el caso de daños grandes la piel pierde su integridad, lo que puede llevar a la muerte. La piel humana adulta consta de dos capas principales: la epidermis y la dermis. Estructuras como glándulas sebáceas, pelos y glándulas hormonales se generan desde la dermis. Esta complejidad estructural hace que los procesos de ingeniería de tejidos en la piel sean difíciles. Y aunque la fibroína de seda soporta fácilmente el crecimiento tanto de queratinocitos como fibroblastos humanos, la complejidad estructural del tejido nativo requiere un material de andamiaje compuesto. Se ha estudiado el uso de capas de fibroína con colágeno-I observándose que se mejora la fijación y la dispersión de los queratinocitos, mientras que el recubrimiento con fibronectina fomenta tanto la adhesión como la dispersión de los queratinocitos y fibroblastos dentro de la matriz. Estos hallazgos sugieren que mezclas de fibroína de seda puede tener una mejor perspectiva, que el uso de fibroína de seda pura para la regeneración de piel.
Regeneración de tejido óseo
El hueso es un tejido conectivo especializado compuesto por una matriz calcificada extracelular, que contiene colágeno e hidroxiapatita como componentes principales. El material de andamiaje para ingeniería de tejidos en hueso debe asegurar la dureza de la matriz y la deposición de la misma. En este contexto la fibroína de la seda es una elección racional por su alta resistencia a la fuerza mecánica junto con una buena bio-compatibilidad. La fibroína de seda usada en ingeniería de tejido óseo es una de las más estudiadas de la ingeniería de tejidos. Los andamios de fibroína porosa para la generación de constructos de
hueso son capaces de estimular el desarrollo avanzado de tejidos óseos dentro de 5 semanas. Los andamios de fibroína de seda también promueven el proceso de curación basados en células madre humanas para defectos femorales en ratones desnudos. De igual manera el uso de compuestos de seda con armazones de polietileno adicionadas con proteína morfo genética de hueso tipo 2 y células madre mesenquimales han permitido la regeneración de hueso como tejido. La incorporación de nanopartículas de hidroxiapatita en la matriz de seda ha tenido como resultado mejorar la regeneración ósea en animales. Una de las estrategias a mejorar en la regeneración de hueso usando compuestos de seda, es la vascularización de los modelos in vitro.
Regeneración de cartílago
El cartílago es un tejido conectivo no vascular y no inervado. Los procesos de ingeniería de tejidos para la generación de andamios 3-D para el crecimiento de condrocitos con el uso de fibroína porosa han usado estrategias como electro- hilado de fibras de seda tratados con microondas inducida por plasma de argón, fibroína de seda mezclada con quitosano o sistemas de esponjas generadas por reticulado de quitosano-fibroína. El uso de biorreactores proporciona la estimulación mecánica y la maduración de construcciones cartilaginosas, identificándose que los factores hidrodinámicos generados en un bioreactor son importantes en el resultado condrogénico. Otros factores que deben tenerse en consideración para la regeneración de los tejidos cartilaginosos son fuentes de células.
Regeneración de ligamentos - tendones
La ingeniería de los ligamentos y tendones requiere andamios fabricados con materiales con una excelente combinación de resistencia mecánica, elasticidad, dureza e integridad estructural. El primer proceso exitoso para la generación de un ligamento cruzado anterior utilizo como andamio un sistema tipo cable retorcido de fibras de seda que presento propiedades mecánicas comparables al ligamento cruzado anterior humano. La incorporación sinérgica de fibras de seda en matrices
epiteliales, se vuelven translúcidas a las 4 semanas, y forman nuevo limbo y vasos sanguíneos a las 8 semanas posteriores a la implantación. La regeneración completa de la córnea del conejo se produce a las 16 semanas, dejando atrás unas cuantas piezas opacas de andamios degradados. Se reporta que el recubrimiento de fibroína con colágeno IV, fibronectina, condroitina y mezclas de sulfato-laminina mejora el rendimiento de fibroína como biomaterial, estas características abren nuevos caminos a los biomateriales basados en seda en la medicina regenerativa ocular.
Regeneración de tejido hepático
El hígado es un órgano que desempeña un papel crucial en el metabolismo de los carbohidratos, las proteínas, lípidos y vitaminas. El principal componente celular del tejido hepático son los hepatocitos, los cuales se han empleado en sistemas in- vitro para reconstruir el tejido 3-D del hígado. Los materiales compuestos de seda para la ingeniería de tejido hepático incluye seda funcionalizada con lactosa y ácido cianúrico, películas de fibroína de seda mezcladas con colágeno, colágeno humano recombinante, colágenoheparina, y micro-partículas de seda incrustadas en andamios de ácido poli láctico. Sin embargo, como los hepatocitos llevan un grado de organización estructural, formando agregados celulares grandes a largo plazo en cultivo in vitro, estos complejos celulares agregados hacen que sea difícil la difusión de nutrientes y por lo tanto requieren investigación adicional en el diseño de andamios para la completa regeneración del tejido de seda.
Regeneración de tejido espinal e intervertebral
El injerto de células olfativas encapsuladas es uno de los enfoques más comúnmente empleados para el tratamiento de lesiones de la médula espinal. La regeneración de la médula espinal basada en biomateriales de seda se encuentra actualmente en una etapa muy temprana. El cultivo de las celulas olfativas encapsuladas en fibroína de seda-nano fibrosa revela perspectivas de biomateriales de seda en este ámbito. El diámetro de las nano-fibras posee efectos reguladores sobre el crecimiento de las celulas olfativas encapsuladas. El
tratamiento de la enfermedad degenerativa de disco implica la reparación del anillo fibroso, que es uno de los principales componentes del disco intervertebral. Los andamios porosos de fibroína de seda permiten un buen crecimiento de células del anillo fibroso bovino hasta por un periodo de 8 semanas en sistemas in vitro. El crecimiento de células del anillo fibroso de la especie bovina en fibroína de seda está muy influenciado por la condición del cultivo y el tamaño medio de los poros del material de andamiaje. Sin embargo, se necesitan más investigaciones para llegar a imitar completamente la alta resistencia, elasticidad y morfología de los tejidos intervertebrales naturales.
Regeneración de vejiga
En el tratamiento de la incontinencia urinaria, se requieren andamios en forma de vejiga los cuales se han logrado con el uso de células musculares lisas autólogas. Las películas de fibroína de seda proporcionan un buen soporte a las células epiteliales de transición de las vejigas urinarias en conejos de Nueva Zelanda. El uso de las películas de seda en conejos ha tenido como resultado el éxito en la reparación de defectos de longitud. El uso de soportes basados en seda adicionados con células madre mesenquimales de médula ósea han mostrado un buen control sobre la presión y fugas, comparable a la del control negativo, estos resultados sugieren un tratamiento esperanzador para la incontinencia urinaria.
Regeneración de tráquea
La incidencia del desarrollo de estenosis traqueal en los recién nacidos prematuros está en aumento como resultado de la necesidad de llevar a cabo procesos prolongados de incubación. En conejos se ha logrado la reconstrucción exitosa de defectos traqueales con el uso de biomateriales basados en seda, los resultados muestran la generación de capas de fibroblastos de grosores entre 240 a 302 micras, sin granuloma de cuerpo extraño e infiltración de macrófagos. Estos resultados sugieren la idoneidad de los dispositivos basados en seda para la generación de revestimientos epiteliales en los trasplantes de tráquea.
Biológicas, Médicas y de Ingenierías para estudiar y adecuar en forma exitosa las propiedades de estos materiales en Ingeniería de Tejidos.
Universidad Privada del Valle
Facultad de INFORMATICA Y ELECTRONICA
ingenieria ELECTRONICA
UNIVALLE - LA PAZ
Biomateriales
Trabajo de investigación: Seda
Grupo “B”
Estudiante: José A. Choque
Guzmán
Docente: Ing. Ismael Guerrero
Villapando
Evaluació
n
La Paz 07 de Mayo del 2019 Gestión I – 2019 Bibliografia
Uso de biomateriles a partir de la fibroina de la seda del gusano de seda para procesos de medicina regenerativa basada en ingeniería de tejidos Vol 1, (2014) (48 paginas) https:Revistas.Utp.edu.co/index.php/revistamedica/article/view/9411/
La seda como biomaterial en medicina regenerativa Vol 1, (2015) (4 paginas) https://digitum.um.es/digitum/bitstream/10201/29215/1/ La%20seda%20como%20biomaterial%20en%20Medicina%20regenerativa.pdf
Material Biocompatible https://es.wikipedia.org/wiki/Material_biocompatible
