El nanoandamio o nanoscaffolding es un proceso médico utilizado para regenerar tejido y hueso, incluyendo extremidades y órganos. El nanoandamio es una estructura tridimensional compuesta por fibras poliméricas muy pequeñas que se escalan a escala nanométrica (10 −9 m). [1] Desarrollada por el ejército estadounidense , la tecnología médica utiliza un aparato microscópico hecho de fibras poliméricas finas llamado andamio. [2] Las células dañadas se agarran al andamio y comienzan a reconstruir el hueso y el tejido faltantes a través de pequeños orificios en el andamio. A medida que el tejido crece, el andamio es absorbido por el cuerpo y desaparece por completo.
También se han utilizado nanoandamiajes para regenerar piel quemada. Este proceso no permite el crecimiento de órganos complejos como corazones. [3]
Históricamente, la investigación sobre nanoestructuras se remonta al menos a fines de la década de 1980, cuando Simon demostró que el electrohilado podía usarse para producir estructuras fibrosas poliméricas a escala nanométrica y submicrométrica específicamente diseñadas para usarse como sustratos de células y tejidos in vitro . Este uso temprano de redes fibrosas electrohiladas para el cultivo celular y la ingeniería de tejidos mostró que varios tipos de células se adherirían y proliferarían sobre fibras de policarbonato. Se observó que, a diferencia de la morfología aplanada que se observa típicamente en el cultivo 2D, las células cultivadas en las fibras electrohiladas exhibían una morfología tridimensional más redondeada que generalmente se observa en los tejidos in vivo . [4]
El nanoandamiaje es muy pequeño, 100 veces más pequeño que un cabello humano, y está hecho de fibras biodegradables. El uso de este andamiaje permite un uso más eficaz de las células madre y una regeneración más rápida. Las nanofibras electrohiladas se preparan utilizando tubos microscópicos que varían entre 100 y 200 nanómetros de diámetro. Estos se enredan entre sí en forma de red a medida que se producen. El electrohilado permite que la construcción de estas redes se controle en el sentido del diámetro del tubo, el grosor y el material que se utiliza. [5] El nanoandamiaje se coloca en el cuerpo en el lugar donde ocurrirá el proceso de regeneración. Una vez inyectado, se agregan células madre al andamiaje. Se ha demostrado que las células madre que se adhieren a un andamiaje tienen más éxito en la adaptación a su entorno y en la realización de la tarea de regeneración. Las terminaciones nerviosas del cuerpo se unirán al andamiaje tejiendo entre las aberturas. Esto hará que actúen como un puente para conectar las secciones cortadas. Con el tiempo, el andamiaje se disolverá y saldrá del cuerpo de manera segura, dejando nervios sanos en su lugar.
Esta tecnología es la combinación de la investigación con células madre y la nanotecnología . La capacidad de reparar los nervios dañados es el mayor desafío y premio para muchos investigadores, así como un gran paso para el campo médico. [6] Esto permitiría a los médicos reparar los nervios dañados en un accidente extremo, como quemaduras de tercer grado. Sin embargo, la tecnología aún está en sus inicios y aún no es capaz de regenerar órganos complejos como un corazón, aunque ya se puede utilizar para crear piel, huesos y uñas. [7] Se ha demostrado que el nanoandamiaje es de cuatro a siete veces más eficaz para mantener vivas las células madre en el cuerpo, lo que les permitiría realizar su trabajo de manera más efectiva. Esta tecnología se puede utilizar para salvar extremidades que de otro modo necesitarían amputación. [8] El nanoandamiaje proporciona una gran superficie para el material que se produce, junto con propiedades químicas y físicas cambiantes . Esto les permite ser aplicables en muchos tipos diferentes de campos tecnológicos. [5]
La ingeniería de tejidos consiste en el uso de células, andamios y diversas técnicas de arquitectura tisular para restaurar, reemplazar y regenerar el tejido corporal dañado. [9] El objetivo de la ingeniería de tejidos es restaurar, reemplazar o regenerar el tejido corporal dañado. [9] Los nanoandamios junto con células y señales de factores de crecimiento se utilizan en aplicaciones de ingeniería de tejidos. [9] Las aplicaciones de ingeniería de tejidos están diseñadas para superar los obstáculos asociados con el alotrasplante , que incluyen donantes no disponibles, cirugías complejas y cuidados posoperatorios. [10] En 2015, el mercado mundial de ingeniería de tejidos se estimó en 23 mil millones de dólares y se esperaba que alcanzara los 94,2 mil millones de dólares en 2022. [10] La anticipación de un crecimiento rápido se debió a un aumento de los trastornos óseos y articulares, y los medicamentos regenerativos musculoesqueléticos representan el 26,4% del mercado de la medicina regenerativa. [10]
La mayoría de las células humanas dentro de los tejidos se anclan a la matriz extracelular sólida (MEC). [9] Los componentes de la MEC varían entre los distintos tipos de tejidos corporales. [9] La MEC actúa como un "andamio" natural. [9] La MEC tiene cinco funciones principales: [9]
El objetivo del nano-andamio es imitar las funciones de la matriz extracelular para estimular la restauración, el reemplazo y la regeneración de tejidos. [9] Tanto las variaciones de la matriz extracelular entre los tipos de tejido como la complejidad de la matriz extracelular dificultan la imitación del nano-andamio. [9]
Para imitar la matriz extracelular, el nano-andamio sigue cuatro características y funciones principales: [9]
Existen cuatro enfoques principales de nanoandamios, que incluyen andamios porosos prefabricados para la siembra de células, ECM descelularizada de tejidos alogénicos o xenogénicos para la siembra de células, láminas celulares con ECM autosecretada y encapsulación celular en una matriz de hidrogel autoensamblada. [9] Cada enfoque contiene materiales, métodos de fabricación y propiedades mecánicas resultantes variables. Además de estos cuatro enfoques, se han investigado nanopartículas metálicas para mejorar las propiedades mecánicas de los nanoandamios. [11] El electrohilado de nanofibras es otro método de fabricación para nanoandamios. [10]
Se ha utilizado una amplia gama de biomateriales de nanoestructuras para la fabricación de estructuras porosas prefabricadas para la siembra de células. Estos biomateriales se pueden clasificar como naturales o sintéticos. Los biomateriales naturales se obtienen de fuentes naturales, que incluyen, entre otras, la matriz extracelular de aloinjertos o xenoinjertos, fosfatos de calcio y polímeros orgánicos, como proteínas, polisacáridos, lípidos y polinucleótidos. Los biomateriales naturales aumentan la biocompatibilidad de las nanoestructuras, pero limitan la estabilidad física y mecánica. Los biomateriales naturales corren el riesgo de generar una respuesta inmunitaria negativa en el huésped de la implantación debido a la fuente alogénica o xenogénica. Los biomateriales sintéticos se pueden subclasificar como orgánicos o inorgánicos. En comparación con los naturales, los biomateriales sintéticos se adaptan más fácilmente a la dureza variable de los tejidos y, por lo tanto, son aplicables a una variedad más amplia de tejidos. Los biomateriales sintéticos son menos biocompatibles y dan como resultado una disminución de la adhesión y el crecimiento celular. Las propiedades superficiales y volumétricas se pueden alterar dentro de un biomaterial sintético en un intento de aumentar la biocompatibilidad de una superficie.
Se han empleado varias técnicas de fabricación para fabricar un andamio poroso, como porógenos dentro de biomateriales, prototipos rápidos o de forma libre sólida y utilizando fibras tejidas o no tejidas. Para emplear porógenos en el biomaterial de nanoandamio, se combinan materiales sólidos en sólidos o disueltos en solventes con el porógeno. Los porógenos incluyen dióxido de carbono, agua y parafina. Una vez que se fabrica el biomaterial, los porógenos se eliminan con métodos como sublimación, evaporación y fusión. Por lo tanto, cuando se eliminan los porógenos, el andamio poroso queda con poros. Para fabricar con prototipos rápidos o de forma libre sólida, se han utilizado métodos como sinterización láser, estereolitografía e impresión 3D. Estos métodos utilizan transferencia de luz o calor para unir o reticular el biomaterial que se está utilizando. La reticulación proporciona una mayor resistencia del material. La técnica de fabricación que utiliza estructuras de fibra tejidas y no tejidas proporciona una estructura porosa cuando las fibras se unen con energía térmica. El electrohilado se utiliza mediante la aplicación de altos voltajes en una solución de polímero. Se forma un chorro de fibra giratoria cuando las fuerzas electrostáticas superan las fuerzas dentro de la solución de polímero. El método de andamiaje poroso prefabricado permite la formación de una estructura definida. Como la fabricación permite la formación de una estructura intrincada, los nanoandamios que utilizan este método se pueden ajustar para que se asemejen a las matrices de células extracelulares de tejidos específicos.
La matriz extracelular descelularizada de tejidos alogénicos y xenogénicos se ha utilizado en ingeniería tisular para válvulas cardíacas, vasos, nervios, tendones y ligamentos. Para utilizar la matriz extracelular de tejidos alogénicos o xenogénicos, los antígenos celulares deben eliminarse debido a la respuesta inmunitaria del receptor del implante. La descelularización se lleva a cabo con una combinación de procesos físicos, químicos y enzimáticos. Se han utilizado ciclos de congelación-descongelación o soluciones iónicas para lisar las membranas celulares. Luego se utilizan tratamientos con tripsina/EDTA para separar los componentes celulares de la matriz extracelular. Los detergentes solubilizan y eliminan el citoplasma y el núcleo de las células. La matriz extracelular descelularizada con factores de crecimiento conservados se utiliza como nanoestructura. La nanoestructura de matriz extracelular descelularizada proporciona propiedades mecánicas más cercanas a los valores naturales que otros métodos debido a que utiliza una estructura de matriz extracelular natural.
En el método de láminas celulares, las células se utilizan para secretar una matriz extracelular (ECM) para el andamiaje. Las células se cultivan hasta que confluyen en un polímero termorresponsable. La hidrofobicidad se regula térmicamente de forma repetida para separar varias capas de láminas celulares. Las capacidades de carga de este método son limitadas debido al uso de láminas celulares delgadas. Las láminas celulares con ECM autosecretadas proporcionan una alta densidad celular y una asociación celular estrecha dentro del nanoandamiaje.
La estructura del hidrogel consiste en cadenas poliméricas hidrofílicas reticuladas. Una membrana semipermeable o una masa sólida homogénea encapsulan las células. Se utilizan hidrogeles naturales y sintéticos para encapsular las células. Las algas y el alginato de sodio proporcionan una fuente de polisacáridos de uso común. Otros biomateriales naturales utilizados incluyen agarosa y quitosano. Los biomateriales sintéticos incluyen polietilenglicol (PEG) y alcohol polivinílico (PVA). Antes de la iniciación, los biomateriales existen como un monómero líquido. Los biomateriales se mezclan con células. Una vez iniciados por pH, temperatura, fuerza iónica o control de luz, los biomateriales se autoensamblan en una red de polímero sólido. Dado que las células se mezclan antes de la iniciación, esto permite la fabricación de la construcción del nano-andamio y la siembra de células en un solo paso. Este método tiene bajas propiedades mecánicas debido a la estructura altamente moldeable del nano-andamio y no es ideal para aplicaciones de soporte de carga.
Las nanopartículas metálicas dentro de los polímeros aumentan la resistencia mecánica y la biocompatibilidad de los nanoandamios. El cobre, el oro, el óxido de hierro, el platino, el paladio, el estroncio, el titanio, el zinc y sus óxidos se han utilizado en aplicaciones de regeneración de tejido óseo. Estas nanopartículas se han incorporado dentro de polímeros como el ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLDA), el ácido poli(L-láctico) (PLLA), la poli(caprolactona (PCL), el colágeno, el ácido hialurónico, la seda, el alginato y la fibrina. Las nanopartículas de cobre dentro del nano-andamio mejoran las actividades antioxidantes y antidiabéticas. Las nanopartículas de cobre dentro del nano-andamio pueden estimular la angiogénesis, la migración celular y la proliferación de células endoteliales. Las nanopartículas de oro dentro del nano-andamio inducen la diferenciación osteogénica debido a la transducción de señales de los estímulos mecánicos. Las nanopartículas de platino y las nanopartículas de paladio dentro del nano-andamio reducen el estrés oxidativo, lo que disminuye la progresión de la enfermedad. Las nanopartículas de plata dentro del nano-andamio son antimicrobianas y ayudan a prevenir infecciones patógenas posoperatorias. Las nanopartículas de plata dentro del nano-andamio se han utilizado para desarrollar un recubrimiento resistente a los microbios. Las nanopartículas de titanio dentro del nano-andamio Los nanoandamios son muy porosos, lo que resulta ideal para la proliferación celular. Las nanopartículas de zinc que contienen reducen la cantidad de especies reactivas de oxígeno, que se asocian con el fracaso de los implantes debido a infecciones bacterianas.
Los sistemas de electrohilado constan de unidades de alimentación de alto voltaje, suministro de material y recolección de fibras. Los altos voltajes producen una solución de polímero cargada, que sale de la unidad de suministro en forma de chorro. El chorro de solución de polímero se alarga y el disolvente se evapora o se solidifica. Luego, las fibras se recogen en la unidad de recogida. Se utilizan placas planas para recoger las fibras al azar. Se utilizan rotores para hacer girar el colector para recoger las fibras alineadas. Los colectores concéntricos se utilizan para recoger las fibras en forma de disco, tambor o cono. En comparación con las fibras aleatorias, las fibras alineadas mejoran las vías de señalización de integrinas y contienen propiedades anisotrópicas similares a las ECM caracterizadas por altos grados de orientación. Las fibras pueden fabricarse a partir de polímeros naturales y sintéticos, incluidos colágeno, gelatina, elastina, seda, ácido poli(l-láctico) (PLLA), ácido poli(glicólico) (PGA), poli(ԑ-caprolactona) (PCL) y ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA). La morfología de las fibras fabricadas mediante electrohilado varía con las propiedades de la solución del polímero, la presión hidrostática, la temperatura y la humedad. El electrohilado de nanofibras puede crear esteras de nanofibras porosas conectadas de forma flexible, que se pueden fabricar con patrones variados para distintas aplicaciones. Las nanofibras fabricadas mediante electrohilado limitan las capacidades tridimensionales del nanoandamio, lo que disminuye la diferenciación celular y las expresiones genéticas. Se han creado andamios tridimensionales electrohilados apilando varias capas y luego sembrando células dentro del andamio.
Con los nuevos avances en nanotecnologías, existen muchos métodos de fabricación que mejoran los métodos mencionados anteriormente. Para emular adecuadamente la complejidad de la arquitectura del tejido nativo y de la matriz extracelular (ECM), la adopción de la nanotecnología se convierte en una parte integral de la producción de implantes de andamiaje. [12]
En 1936, Norton patentó el primer dispositivo de hilado por soplado y, más recientemente, en 2015, se publicó una investigación que describe un dispositivo con boquillas concéntricas donde se insertaba una solución de polímero en una corriente de gas en movimiento para formar nanofibras a partir de polímeros como el poliestireno. Los nuevos avances dieron lugar a la técnica de aerografía para la fabricación de nanoestructuras.
La aerografía es una técnica para la fabricación de fibras que implica dos corrientes de fluido concéntricas paralelas: un polímero disuelto en un disolvente volátil y un gas presurizado que fluye alrededor de la solución de polímero, generando fibras que se depositan en la dirección del flujo de gas. Este método es más favorecido en comparación con el electrohilado debido al hecho de que es menos costoso y es más fácil de interconectar. Este método tiene la capacidad de depositar fibras conformadas sobre sustratos tanto planos como no planos con una velocidad de deposición que es relativamente diez veces más rápida que la del electrohilado.
Al igual que los aerógrafos comerciales, la técnica del aerógrafo nanofibroso se puede utilizar para “pintar” nanofibras sobre una gama más amplia de objetivos y para que el disolvente portador se evapore rápidamente antes de que las fibras de polímero se depositen en la superficie de recolección. Aunque la exposición aguda a altas concentraciones de un disolvente como la acetona puede ser tóxica, los estudios han demostrado que el SBS de la acetona directamente sobre las células no afectó la viabilidad, lo que resultó en la prevención de problemas de biocompatibilidad.
La complicación de la técnica de aerografía surge cuando se forman esteras de fibras con los haces de fibras locales, esto es inducido por las diferencias morfológicas en las fibras y las estructuras cristalinas.
En 1999, los investigadores (Necesidad de identificar) fueron pioneros en un método para crear andamios basados en poliéster nanofibroso con alta porosidad y dimensiones de fibras submicrónicas a través del método de separación de fases.
La separación de fases, también llamada inversión de fases, es una técnica que se ha empleado para generar estructuras de polímeros porosos promoviendo la separación de una solución polimérica en dos fases: una fase rica en polímeros y una fase pobre en polímeros.
La solución de polímero se separa en fases mediante enfriamiento o intercambio sin disolvente, de manera que el polímero ya no es miscible termodinámicamente y forma dominios ricos en polímero dentro del disolvente. A continuación, se extrae el disolvente y se congela el andamio para mantener la estructura. Por último, la liofilización forma un andamio fibroso con diámetros entre 50 y 500 nm (nanómetros) y capaz de exhibir una porosidad del 98,5 %. Nuevamente, este método de fabricación se utiliza para crear andamios nanofibrosos a partir de poliésteres alifáticos.
Los disolventes que se utilizan incluyen THF (que desarrolla los mejores resultados), DMF, THF/metanol, THF/acetona, dioxano/metódico, dioxano/H2O y dioxano/acetona).
La separación de fases se aproxima más a las espumas convencionales con tamaños de poro más grandes, lo que implica que este método sería propenso a la infiltración de células, lo que lo hace favorable para la ingeniería de tejidos. La separación de fases también puede conducir a la producción de poros más pequeños, sin embargo, existe dificultad para controlar el diámetro de las fibras debido al hecho de que la concentración inicial de polímero no conduce a diámetros de fibra más grandes en andamios separados en fases.
Este método de fabricación promueve el crecimiento, la proliferación y la diferenciación celular, lo que lo hace adecuado para ser utilizado como tejido para órganos artificiales, redes neuronales, biorreactores, fuentes de células y sistemas de administración de fármacos.
La técnica STEP o “parámetros de ingeniería de plato giratorio basados en hileras” se ha utilizado para redes de nanofibras con diámetros de fibra controlables, espaciado controlable y para la orientación de fibras individuales. Durante esta técnica, las micro/nano fibras se extraen de la gota de solución colgante y permiten una recolección de fibras altamente alineadas de dimensiones uniformes sobre el sustrato. Promueve el control de las dimensiones de las fibras depositadas en las configuraciones alineadas, creando así una plataforma para la investigación de la dinámica celular y la adhesión celular sobre andamios. La técnica permite un espaciado y orientación precisos de las fibras en estructuras planas o no planas utilizando un amplio espectro de polímeros. Sin embargo, existe una dificultad para obtener fibras más pequeñas que 100 nm y también una limitación para los materiales viscoelásticos utilizados en la técnica STEP.
Los andamios nanofibrosos, creados a partir de técnicas STEP, tienen la capacidad de usarse para una amplia gama de aplicaciones en ingeniería de tejidos.
En 2012, más de medio millón de personas en los Estados Unidos reciben reparaciones de defectos óseos al año, con un costo estimado de 2,5 millones de dólares, y esta cifra se ha duplicado en los últimos años. En los Estados Unidos, el hueso es uno de los tejidos más trasplantados y se estima que la creciente demanda de injertos y sustitutos óseos representa unos ingresos de 3.300 millones de dólares. Las inversiones en investigación de soluciones de ingeniería de tejidos han tenido un mercado masivo, especialmente para los huesos.
Como tejido de andamiaje, el hueso es responsable de funciones de soporte, protección, soporte de carga y hematopoyéticas. En el caso de defectos pequeños, el hueso humano tiene la capacidad de remodelarse y reconstruirse continuamente sobre sí mismo. Sin embargo, los defectos a gran escala, las inflamaciones causadas por accidentes, infecciones y tumores dificultan la curación del hueso, requiriendo intervenciones externas. La creciente escasez de donantes, el rechazo de trasplantes y los fallos mecánicos han dificultado la búsqueda de soluciones duraderas. Los avances en nanotecnología han permitido las aplicaciones de la impresión 3D en la ingeniería de tejidos para el desarrollo de andamiajes óseos.
Los andamios óseos suelen estar hechos de materiales biodegradables porosos que proporcionan soporte mecánico durante la regeneración y reparación del hueso dañado o enfermo. El diseño de los andamios presenta una superficie que promueve la adhesión, el crecimiento y la diferenciación de las células, al tiempo que proporciona una red porosa para el crecimiento tisular. Para el crecimiento continuo del tejido óseo mediante andamios, la porosidad interconectada es importante, ya que puede permitir que los nutrientes y las moléculas se transporten a las partes internas del andamio para facilitar el crecimiento celular, la vascularización y la eliminación de material de desecho.
El método de bioimpresión 3D se ha utilizado para fabricar andamios estructurales más ideales con un mejor control de la morfología de los poros, el tamaño de los poros y la porosidad. La impresión 3D puede ser esencial para los andamios óseos, ya que tiene en cuenta el alto grado de porosidad junto con la alta resistencia mecánica, que es fundamental para el funcionamiento del andamio óseo.
Por otra parte, el músculo cardíaco tiene un módulo elástico de solo unos 10 MPa, tres órdenes de magnitud menor que el del hueso. Sin embargo, experimenta una carga cíclica constante a medida que el corazón bombea. [14] Esto significa que el andamiaje debe ser resistente y elástico, una propiedad que se logra utilizando materiales poliméricos.
Las lesiones de la médula espinal pueden ser muy perjudiciales para la forma y el funcionamiento normales del cuerpo humano, y a menudo provocan una pérdida importante de la función motora y sensorial que puede afectar incluso a todo el cuerpo por debajo del nivel de la lesión. El número de casos de lesiones de la médula espinal en todo el mundo aumentó a 27,04 millones en 2016, y cada paciente puede costarle a la economía entre 1 y 5 millones de dólares por caso determinado. Como resultado, existe una necesidad importante de soluciones novedosas para abordar el problema.
Recientemente se han desarrollado nuevas estrategias de biomateriales e ingeniería de tejidos para abordar esta necesidad, centrándose principalmente en la formulación de nanoestructuras que rellenan el hueco creado en el lugar de la lesión y que fomentan un entorno prorregenerativo que ayuda a facilitar la restauración de la estructura y la función de la médula espinal. Esto se logra conectando físicamente las áreas expuestas de la médula espinal a través de una estructura, además de proporcionar un entorno favorable para los tipos de células regenerativas, como las células madre mesenquimales y las células de Schwann, y para promover la restauración y la remielinización de los axones. Las células de la envoltura olfatoria, las células madre y otras células progenitoras neuronales desempeñan un papel importante en la creación de un entorno estimulante para fines regenerativos.
Para fabricar estos nanoandamios, se utilizan polímeros tanto naturales como sintéticos en su síntesis. En el caso de los polímeros naturales, el ácido hialurónico y el colágeno son dos de los principales candidatos que se utilizan en la industria en la actualidad. El ácido hialurónico es un componente importante de la matriz extracelular y tiene propiedades variables según su peso molecular, lo que resulta útil para compensar las propiedades necesarias para un buen andamiaje. El colágeno también es un componente importante de la matriz extracelular, sobre todo en el tejido nervioso central, donde tiene una buena histocompatibilidad y favorece la adhesión y el crecimiento.
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