Hidrogeles magnéticos para aplicaciones biomédicasestudio de su biocompatibilidad y propiedades viscoelásticas

Resumen

1. Introducción y objetivos Los hidrogeles son sistemas formados por una red tridimensional de cadenas poliméricas flexibles entrecruzadas. Estos materiales son capaces de retener una gran cantidad de agua sin disolverse. La red se puede formar por enlaces físicos o químicos entre las cadenas de una gran variedad de polímeros, como alginato o fibrina. En los últimos años se ha desarrollado una nueva generación de hidrogeles, llamados geles supramoleculares, que están formados por péptidos que contienen entre 2 y 12 aminoácidos [1, 2]. En estos geles, los péptidos se auto-asocian mediante interacciones físicas formando una red tridimensional de nanofibras que puede ocluir más de un 99 % de su peso en agua. En los últimos años, se han desarrollado hidrogeles compuestos que contienen micro- o nanopartículas magnéticas para reforzar la red polimérica y, además, conferirle algunas ventajas asociadas a las propiedades de las partículas. Así, la presencia de partículas magnéticas permite la visualización y seguimiento de los hidrogeles magnéticos en aplicaciones in vivo mediante resonancia magnética [3]. Además, estudios in vitro sugieren que la presencia de material magnético en los hidrogeles estimula la adhesión, proliferación y diferenciación celular [4-6]. En tercer lugar, el uso de implantes formados por hidrogeles magnéticos in vivo permitiría atraer hasta ellos partículas magnéticas funcionalizadas, inyectadas en sus proximidades, mediante la acción de campos magnéticos externos [3, 5, 7]. Por último, se ha demostrado que se pueden preparar tejidos biológicos artificiales basados en hidrogeles magnéticos con propiedades mecánicas modulables por campos magnéticos [8]. El objetivo principal de este trabajo ha sido conseguir hidrogeles biocompatibles, con propiedades mecánicas controlables a distancia por campos magnéticos de intensidad H baja a moderada (H < 100 kA/m), para emplearlos como sustitutos de tejidos biológicos en el campo de la ingeniería tisular. Para ello, se han determinado las propiedades mecánicas y magnéticas de distintos tipos de biomateriales y se han realizado ensayos de biocompatibilidad ex vivo e in vivo de los mismos. 2. Resultados 2.1 Hidrogeles de fibrina-agarosa. Generación de un tejido artificial sustituto de cartílago Se han estudiado las propiedades reológicas de hidrogeles de fibrina-agarosa para su potencial uso en ingeniería tisular. Para ello, se ha estudiado la biocompatibilidad ex vivo e in vivo de hidrogeles de fibrina-agarosa no magnéticos y magnéticos. Para ello, se ha llevado a cado un estudio reológico y microestructural del efecto que produce la inclusión de partículas magnéticas en los hidrogeles. Se han llevado a cabo el cultivo celular de condrocitos en las matrices poliméricas de fibrina-agarosa no magnéticas y magnéticas. Se ha analizado su biocompatibilidad, mediante el análisis histológico de los tejidos artificiales, con el fin de obtener un tejido sustitutivo que mimetice al cartílago nativo interarticular humano. Los resultados más destacables se enumeran a continuación: • La inclusión de partículas magnéticas núcleo (polimérico)-capa (magnética) recubiertas de polietilenglicol (PEG) en la matriz polimérica de fibrina-agarosa permite obtener hidrogeles magnéticos biocompatibles. La presencia de ese material magnético no afecta a la biocompatibilidad ex vivo e in vivo intrínseca que poseen los hidrogeles de fibrina-agarosa. Los ensayos in vivo muestran una buena interacción de los hidrogeles magnéticos con el tejido huésped; la implantación tanto de nanopartículas magnéticas como de los hidrogeles magnéticos que los contienen solo provoca una reacción inflamatoria aguda localizada. • La incorporación de una pequeña cantidad de nanopartículas magnéticas debidamente funcionalizadas dentro de matrices de fibrina provoca la apertura de la red polimérica, actuando como nudos de entrecruzamiento que hacen posible la formación de una estructura más porosa y con una gran capacidad de hidratación. • Los hidrogeles de fibrina magnéticos presentan una respuesta mecánica reforzada en comparación con la de los hidrogeles no magnéticos, obteniéndose mayores valores del módulo de rigidez y de los módulos viscoelásticos. El tiempo necesario para alcanzar el punto de gelificación, disminuye al aumentar la concentración de nanopartículas magnéticas. • Se ha desarrollado un modelo teórico que predice dependencia observada experimentalmente entre el módulo de rigidez y la concentración de partículas magnéticas en hidrogeles de fibrina. • La incorporación de condrocitos en una matriz polimérica de fibrina-agarosa magnética o no magnética permitió la obtención de biomateriales que no sufren degradación mecánica con el tiempo (tiempo máximo estudiado 30 días) y, por tanto, con potencial aplicación en el campo de la ingeniería tisular. • Los hidrogeles de fibrina-agarosa, tanto no magnéticos como magnéticos, presentan una buena biocompatibilidad ex vivo. Los condrocitos implantados interaccionan con ambos tipos de matrices. • Los condrocitos incluidos en las matrices poliméricas de fibrina-agarosa no magnéticas y magnéticas expresaron proteínas típicas de cartílago (S-100 y colágeno tipo II); sin embargo, no se observó la expresión de otras proteínas (proteoglicanos). Las matrices no magnéticas y magnéticas poseen módulos (visco)elásticos mucho menores que los correspondientes al cartílago hialino nativo. Por tanto, estos tejidos artificiales solo se pueden considerar una primera aproximación a dicho tejido. • La incorporación de nanopartículas magnéticas en hidrogeles de fibrina-agarosa celulares, es viable para la obtención de tejidos artificiales biocompatibles cuyas propiedades mecánicas se puedan modular a distancia por acción de campos magnéticos externos. 2.2 Nuevos hidrogeles basados en péptidos o en alginato cálcico. En esta parte, se han estudiado las propiedades reológicas de nuevos hidrogeles. Se han ocluido partículas magnéticas en los hidrogeles para preparar biomateriales, alternativos a los hidrogeles de fibrina-agarosa, que posean propiedades mecánicas adecuadas para su potencial aplicación en ingeniería tisular. En concreto, se estudiaron dos tipos de materiales: i) Hidrogeles supramoleculares formados por interacciones de tipo físico entre péptidos de cadena muy corta. Los resultados más destacables son: • Se prepararon hidrogeles con el derivado peptídico fmoc-difenilalananina. La fmoc-difenilalanina es una molécula pequeña formada por dos aminoácidos (fenilalanina) y un grupo aromático (fmoc). Los hidrogeles se forman mediante asociación física de moléculas de fmoc-difenilalanina a través de interacciones π-π, formando fibras que se entrecruzan dando lugar a una red de cadenas capaces de ocluir más del 99 % de su peso en agua. • Se generaron hidrogeles magnéticos supramoleculares con nanopartículas de hierro recubiertas de PEG. Las partículas se funcionalizaron por adsorción de fmoc-difenilalanina. • La susceptibilidad magnética y la magnetización de saturación de los hidrogeles supramoleculares magnéticos aumentan con la concentración de nanopartículas magnéticas. • Se estudiaron las propiedades mecánicas, bajo esfuerzos de cizalla, de los hidrogeles supramoleculares no magnéticos y magnéticos preparados con distintas concentraciones de nanopartículas magnéticas. Los valores de los módulos viscoelásticos y del módulo de rigidez de los hidrogeles magnéticos preparados con muy baja concentración de nanopartículas magnéticas aumentan considerablemente con respecto a los hidrogeles no magnéticos. Sin embargo, concentraciones superiores al 0,1 % en volumen de nanopartículas magnéticas no permiten lograr aumentos significativos de los módulos viscoelásticos y del módulo de rigidez. El estudio a escala microscópica de la asociación entre fibrillas peptídicas y las partículas de hierro permitió explicar estos hechos. ii) Hidrogeles formados por interacción electrostática entre cadenas poliméricas de alginato e iones calcio. Los resultados más relevantes son los siguientes: • Se han incorporado con éxito micropartículas de hierro dentro de matrices poliméricas de alginato de calcio (que son de fácil preparación y muy bajo coste) para dotarlas de propiedades magnéticas. • Del estudio de las propiedades mecánicas de los hidrogeles de alginato de calcio no magnéticos y magnéticos, bajo esfuerzos de tracción, se deriva que la acción combinada de (i) la inclusión de partículas magnéticas y (ii) la aplicación de campos magnéticos externos, permite cierto grado de modulación en las propiedades mecánicas de los hidrogeles. • Los hidrogeles preparados con baja concentración de partículas de hierro sufren aparentemente un debilitamiento de la red polimérica. No es posible recuperar la elasticidad de los hidrogeles de alginato de calcio puros ni siquiera aplicando campos magnéticos moderados. • Los hidrogeles resultan reforzados (incrementos de módulo de Young de hasta un 30 %), bajo la acción de campos magnéticos de intensidad moderada (en torno a 20 kA/m), cuando el contenido de partículas de hierro es elevado (del orden del 20 % en volumen). 3. Conclusiones • Sobre los hidrogeles basados en fibrina-agarosa: i) Se ha demostrado que la incorporación de partículas magnéticas en hidrogeles de fibrina-agarosa no afecta a la biocompatibilidad de los mismos. ii) Es posible aumentar los valores de los módulos viscoelásticos y de rigidez mediante la incorporación de nanopartículas magnéticas. iii) Se ha comprobado que este tipo de materiales poseen un gran potencial para su aplicación en la generación de tejidos sustitutivos de cartílago. iv) Las nanopartículas incorporadas en las matrices de fibrina-agarosa no afectan negativamente a la viabilidad de los condrocitos. • Sobre los hidrogeles supramoleculares de péptidos o de alginato de calcio: v) Se han estudiado las propiedades reológicas, bajo esfuerzos de cizalla o bajo fuerzas de tracción, de ambos tipos de geles demostrándose que se comportan como sólidos viscoelásticos. vi) Se ha comprobado que es posible modular sus propiedades mecánicas mediante la incorporación de nano- o micropartículas magnéticas y la aplicación de un campo magnético de intensidad baja a moderada. Referencias [1] E. Beniash, J. D. Hartgerink, H. Storrie, J. C. Stendahl and S. I. Stupp, Acta Biomaterialia, 2005, 1, 387-397. [2] D. J. Adams, Macromolecular Bioscience, 2011, 11, 160-173. [3] O. Ziv-Polat, H. Skaat, A. Shahar and S. Margel, International Journal of Nanomedicine, 2012, 7, 1259-1274. [4] M. Bañobre-Lopez, Y. Piñeiro-Redondo, R. De Santis, A. Gloria, L. Ambrosio, A. Tampieri, V. Dediu and J. Rivas, Journal of Applied Physics, 2011, 109, 07B313. [5] N. Bock, A. Riminucci, C. Dionigi, A. Russo, A. Tampieri, E. Landi, V. A. Goranov, M. Marcacci and V. Dediu, Acta Biomaterialia, 2010, 6, 786-796. [6] X.-B. Zeng, H. Hu, L.-Q. Xie, F. Lan, Y. Wu and Z.-W. Gu, Journal of Inorganic Materials, 2013, 28, 79-84. [7] S. Panseri, C. Cunha, T. D'Alessandro, M. Sandri, G. Giavaresi, M. Marcacci, C. T. Hung and A. Tampieri, Journal of Nanobiotechnology, 2012, 10, 32. [8] M. T. Lopez-Lopez, G. Scionti, A. C. Oliveira, J. D. G. Duran, A. Campos, M. Alaminos and I. A. Rodriguez, Plos One, 2015, 10, e0133878.