Evaluación de las propiedades biomecánicas de tejidos artificiales elaborados con biopolímeros para su utilización en ingeniería tisular

Résumé

La ingeniería tisular es una ciencia que tiene como objetivo la generación de tejidos biológicos artificiales para sustituir o reparar tejidos y órganos dañados, gracias a la combinación de biomateriales, células y señales moleculares (Campos 2004). Los hidrogeles de fibrina-agarosa con 0.1% de agarosa desarrollados por nuestro grupo de investigación, han sido utilizados con buenos resultados como biomateriales para la fabricación de varios tejidos artificiales, como córnea, mucosa oral, piel y nervio periférico (Alaminos et al. 2006; Sanchez-Quevedo et al. 2007; Garzón et al. 2013; Carriel et al. 2013). Recientemente, un método de nanoestructuración basado en la aplicación de compresión plástica ha resultado en la posibilidad de modular las propiedades biomecánicas de los geles de fibrina-agarosa (Ionescu et al. 2011). El objetivo general de esta Tesis Doctoral consiste en analizar los efectos del contenido de agarosa, del grado de hidratación y del tiempo de evolución sobre las propiedades biomecánicas de los biomateriales de fibrina-agarosa para contribuir a su caracterización biomecánica y determinar su potencial en ingeniería tisular. Para este trabajo de Tesis Doctoral, se elaboraron varios hidrogeles de fibrina-agarosa con diferentes contenidos de agarosa, los cuales fueron sometidos a diferentes grados de nanoestructuración. El comportamiento biomecánico de los hidrogeles obtenidos se midió mediante ensayos de resistencia a esfuerzos de tracción, compresión y cizalla. La metodología desarrollada en esta Tesis Doctoral permitió el diseño y la elaboración de un modelo de tejido artificial nanoestructurado generado con biopolímeros de fibrina-agarosa, en el que resulta posible controlar el grado de hidratación y la concentración de agarosa. El control de ambos parámetros permite la obtención de tejidos artificiales nanoestructurados específicos en relación con la terapia tisular a utilizar. La concentración de agarosa, en el modelo de tejido artificial diseñado, presenta una relación directa con los módulos biomecánicos bajo esfuerzos de compresión y cizalla, y una relación inversa con el módulo de resistencia a la tracción. Ello implica que el incremento de la concentración de agarosa en el biomaterial permite generar tejidos con mayor capacidad de resistencia a las fuerzas rotatorias y a las fuerzas compresivas. Por el contrario, un tejido con mayor resistencia a las fuerzas de tracción paralelas al eje mayor del tejido puede lograrse disminuyendo la concentración de agarosa. El grado de hidratación, en el modelo de tejido artificial diseñado, presenta una relación inversa con el conjunto de módulos biomecánicos evaluados en esta Tesis Doctoral. De este modo, la disminución del grado de hidratación en el biomaterial, permite generar tejidos con mayor resistencia tanto a las fuerzas rotatorias de cizalla, como a las fuerzas de compresión y de tracción que se ejercen en dirección perpendicular o paralela al eje mayor del tejido. El análisis de las propiedades biomecánicas de los modelos de tejidos artificiales generados con biopolímeros de fibrina-agarosa nanoestructurados permite seleccionar formulaciones del biomaterial con propiedades biomecánicas semejantes a los tejidos humanos. La formulación del biomaterial a seleccionar, deberá estar en relación con las propiedades biomecánicas del tejido artificial a generar. EVALUATION OF THE BIOMECHANICAL PROPERTIES OF ARTIFICIAL TISSUES MADE OF BIOPOLYMERS FOR TISSUE ENGINEERING APPLICATIONS The aim of tissue engineering is to generate bioartificial tissues to restore or replace damaged native tissues or organs, with the use of a combination of biomaterials, cells and molecular signals (Campos 2004). Fibrin-agarose hydrogels with 0.1% of agarose, developed by our research group, have been used with good results for the fabrication of several artificial tissues, including cornea, oral mucosa, skin and peripheral nerves. (Alaminos et al. 2006; Sanchez-Quevedo et al. 2007; Garzón et al. 2013; Carriel et al. 2013). Recently, a nanostructuration method based on the application of plastic compression proved to be an efficient way to modulate the biomechanical properties of fibrin-agarose hydrogels (Ionescu et al. 2011). The general aim of this doctoral thesis is to evaluate the effects of agarose concentration, hydration grade and development time on the mechanical properties of fibrin-agarose biomaterials, to achieve their complete biomechanical characterization and to study their potential for tissue engineering applications. Several fibrin-agarose hydrogels with different agarose concentrations were generated and subjected to different grades of nanostructuration. The biomechanical behavior of the hydrogels was evaluated under tensile, compression and shear stresses. The methods developed in this doctoral thesis permitted to design and generate an accurate nanostructured fibrin-agarose tissue-like model, with defined hydration grade and agarose concentration. The ability to control both parameters allows the production of different nanostructured artificial tissues, which can be specifically designed depending on the tissue-engineering application needed. The biomechanical tests show a direct relationship between the agarose concentration and the biomechanical moduli under compression and shear stresses, and an inverse relationship under tensile stresses. Thus, increasing the agarose concentration allows the generation of artificial tissues with higher resistance to rotational and compressive forces. On the other hand, it is possible to achieve an artificial tissue with better response to tensile stresses by reducing the agarose concentration. The results show an inverse relationship between the hydration grade and all the biomechanical moduli evaluated in this doctoral thesis. Thus, decreasing the hydration grade can improve the resistance of the biomaterials to tensile, compression and shear stresses. The evaluation of the biomechanical properties of the nanostructured fibrin-agarose tissue-like models permits to select formulations of the biomaterial with similar properties to human native tissues. The specific formulation of the biomaterial will depend on the biomechanical properties of the artificial tissue to generate.