Un grupo de investigadores de la Universidad de Costa Rica, el Tecnológico de Costa Rica, el CENAT y la Universidad Estatal a Distancia encontró biomateriales nuevos para la creación de andamiajes, por medio de impresión 3D, para futuras aplicaciones en regeneración de tejidos óseos.
| Términos importantes para leer este artículo |
| Tejidos óseos: Los tejidos son grupos de células similares que cumplen con una función específica. Los diferentes tipos de tejidos se agrupan para formar órganos. El hueso está formado por tejido compacto (capa externa, dura) y tejido esponjoso o trabecular (capa interna esponjosa que contiene médula roja). Los osteoblastos (células que producen los componentes inertes del hueso) y los osteoclastos (células que destruyen la matriz del hueso) renuevan y mantienen el tejido óseo. Los huesos también contienen vasos sanguíneos, nervios, proteínas, vitaminas y minerales (NIH, 2024) Ingeniería de Tejidos: La ingeniería de tejidos busca mejorar o reemplazar a los tejidos del cuerpo y sus funciones. En esta práctica se combinan andamios (hechos de biomateriales), células y moléculas biológicamente activas (moléculas que cumplen una función en el cuerpo) para crear tejidos funcionales (NIH, 2024). Biomateriales: Son materiales de orígen natural o sintético adecuado para su uso en la construcción de tejidos, órganos, dispositivos médicos y prótesis. Gracias a su biocompatibilidad se pueden implantar en el cuerpo, y permitir que éste funcione normalmente o que se recupere con mayor facilidad después de una lesión o enfermedad. Los biomateriales se usan en aplicaciones médicas para apoyar, mejorar o reemplazar tejido dañado o una función biológica. (NIH, 2024) Nanobiotecnología: La nanobiotecnología estudia elementos en la naturaleza y nuevos materiales a nivel sumamente pequeño, nanométrico, que quiere decir 1 000 000 000 ó milmillonésimas veces más pequeños que un metro. |
¿Cuál es el problema?:
Al crear prótesis, dispositivos médicos y otros objetos implantables es sumamente necesario que el cuerpo no los rechace, es decir, que sean biocompatibles. La necesidad de biocompatibilidad combinada con la necesidad de que estas estructuras generadas por impresión 3D cumplan con su deber de aportar soporte como el que dan los huesos en el cuerpo, genera una serie de retos para encontrar los materiales que puedan usarse para impresión 3D con una resolución apropiada y presentar las propiedades de biocompatibilidad y resistencia mencionadas.
Objetivo General: Desarrollar nuevos compositos basados en polímeros y partículas microestructuradas de sílice provenientes de diatomeas que permitan la fabricación por medio de impresión 3D de un andamio (o scaffold) capaz de brindar la arquitectura y condiciones necesarias para el desarrollo de investigaciones biofísicas in-vitro aplicadas a entender la diferenciación y el crecimiento de células de tejido óseo en estos materiales de nueva generación.
¿Qué es una Diatomea? Las diatomeas son organismos microscópicos, unicelulares, que pertenecen al grupo protista. Usan la fotosíntesis para producir su propio alimento, igual que las plantas, con la diferencia de que no tienen hojas o raices como ellas. Cada una de estas células está rodeada por un exoesqueleto duro y poroso llamado frústula. Este exoesqueleto, que se encarga de proteger a la Diatomea, está formado principalmente por cristales de sílice. El sílice está presente en muchos organismos diferentes, pero en esta investigación, se utilizó sílice proveniente de diatomeas para mejorar la biocompatibilidad de los andamios. Buscando a recrear la parte del hueso, llamado hueso mineral.
¿Qué se hizo? y ¿Para qué?: objetivos específicos
1. Establecer cultivos de diferentes especies de diatomeas para obtener y estudiar las nanoestructuras del sílice de sus frústulas. Se cultivó varios tipos de diatomeas en diferentes circunstancias y ambientes para ver cómo resultaban las nanoestructuras de sílice de cada cultivo. En este proceso, además, se verificó que no hubiera contaminación con otras algas, bacterias u hongos. Luego del proceso de digestión con químicos, para remover las partes que no necesitaban ser revisadas, se estudió el esqueleto de sílice que quedaba al final.
2. Preparar un material polimérico compuesto, biocompatible y biodegradable, con micro/nanopartículas de sílice proveniente de las especies de diatomeas y polímeros.
3.1 Diseñar las formas orgánicas y estéticas que más se asemejen o recreenla estructura del hueso humano. El equipo se propuso generar un material que potencialmente pueda ser usado para fabricar prótesis para tratar casos de paladar hendido. La idea es que resulte en un producto que sea satisfactorio tanto en aspectos funcionales como estéticos. Para esto se estudió la forma y porosidad del tejido a partir de imágenes médicas, como micro-tomografías de hueso normal.
3.2 Crear modelos de impresión 3D basada en extrusión de hilo, para la micro fabricación de bio-andamios y dispositivos microfluídicos. Proyectar la estructura base de un andamio tomando como referencia para el diseño las formas orgánicas y estéticas que más se asemeje o recreen la estructura del hueso humano.
Con este objetivo se buscó verificar si la impresión 3D tenía la capacidad de crear andamios y dispositivos microfluidicos que tuvieran la mayor similitud posible, en forma y biocompatibilidad, de los huesos humanos. Los dispositivos microfluídicos permiten manejar fluidos en cantidades microscópicas, son utilizados mayoritariamente en experimentos e investigación.
4. Determinar el comportamiento de las células en bioandamios generados por impresión 3D mantenidos bajo diferentes condiciones; para estudiar aspectos biofísicos relacionados con los procesos de crecimiento celular controlado, tales como adherencia, motilidad, nutrientes necesarios, entre otros y generar investigación básica con posibles aplicaciones futuras en materia de reconstrucción del defecto óseo en pacientes con paladar hendido.
Es necesario monitorear la forma en la que las células se comportan en el bioandamio de material enriquecido con sílice de las diatomeas mencionado en objetivos anteriores. Este monitoreo de las células incluye verificar que las células sean capaces de adherirse al material y de mantenerse vivas. Además de comprobar si ellas mantienen sus comportamientos naturales de moverse sobre la estructura y dividirse sobre ella “colonizándola”. También se verificó que el material no se disolviera demasiado rápido, y que mantuviera una dureza y resistencia mecánica similar a la de el hueso.
Figura I. Microscopías de barrido electrónico de secciones de las probetas impresas en 3D y esterilizadas con gamma.
Las barras de escala corresponden a 200 micras para 60x y 10 micras para 1500x.
Resultados:
El grupo de investigadores logró desarrollar el material compuesto con las características necesarias para usarlo en máquinas de impresión 3D y que fuera biocompatible con las células evaluadas. Se inspiraron en las estructuras de huesos reales a la hora de diseñar la forma y porosidad de los bioandamios. Encontraron andamios donde las células madre pudieron adherirse y colonizar el material. O sea que el andamio sirve como una estructura base para que estas células se acomoden y repliquen en la manera necesaria.
Gracias a los resultados encontrados otros estudios, más adelante, podrán avanzar con esta área de investigación. Se podrá pasar a las siguientes fases de estudio, como los estudios con animales, y luego, estudios clínicos con seres humanos. Lo anterior con el fin de utilizar el material para imprimir implantes personalizados para pacientes con cavidad palatina o “paladar hendido”.
Se construyó además dispositivos microfluídicos “para la deposición controlada de las células sobre los bio andamiajes”. Lo que significa que el proceso de colocación de las células que recubren los andamios también se ve mejorado por los dispositivos construidos durante el proyecto.
Beneficios de la investigación:
Que este proyecto se llevara a cabo significó que se lograran avances en el conocimiento científico, además de que permitió el fortalecimiento y consolidación de varias tecnologías de punta en el país. Esto tanto en aspectos de equipo con el que se puede trabajar como en la formación de profesionales en áreas de nanotecnología, física, química, biología celular, y varias ingenierías.
Contribuye además a que avance la ciencia aplicada, puesto que el material generado, su biocompatibilidad, y la manera en que puede personalizarse su forma (impresión 3D con base en tomografías del paciente) presenta características prometedoras que deben seguirse estudiando para eventualmente usarse en la generación de prótesis y demás dispositivos médicos.
Algunas de las publicaciones que producto de la investigación:
| Artículo | Impresión 3D de modelos estereolitográficoscon protocolo abierto Disponible en Inglés Disponible en Español | Oviedo-Quirós, J., Campos-Zumbado, J., Hernández-Montoya, D., & Lines-Gutiérrez, M. F. (2020). 3D Printing of Stereolithographic Models with Open Protocol. Odovtos – International Journal Of Dental Sciences, 421-431. https://doi.org/10.15517/ijds.2020.43185 |
| Artículo | Composites of polylactic acid with diatomaceous earth for 3D printing biocompatible scaffolds: systematic study of the mechanical, thermal and biocompatible properties | Trejos-Soto, L.V., Rivas-Hernández, G. O., Mora-Bolaños, R., Vargas-Valverde, N., Valerio, A., Ulloa-Fernández A., Oviedo-Quirós J., García-Piñeres, A., Paniagua, S.A., Centeno-Cerdas, C. and Lesser-Rojas, L. (In Press). |
Equipo
| Leonardo Lesser Rojas | UCR | CICANUM |
| Ana Margarita Silva Benavides | UCR | CIMAR |
| Alfonso García Piñeres | UCR | CIBCM |
| Jorge Oviedo Quirós | UCR | ODONTOLOGÍA |
| Carolina Centeno Cerdas | TEC | Laboratorio de Ingeniería de Tejidos, Centro de Investigación en Biotecnología del TEC |
| Andrea Ulloa Fernández | TEC | Laboratorio de Ingeniería de Tejidos, Centro de Investigación en Biotecnología del TEC |
| Sergio Paniagua Barrantes | CENAT | LANOTEC |
| Diana Hernández Montoya | UNED | FAB LAB KÄ TRÄRE |
| Farith Tabash Pérez | UNED | FAB LAB KÄ TRÄRE |
| José Esteban Campos Zumbado | UNED | FAB LAB KÄ TRÄRE |
Asistentes:
Nathalia Vargas – UCR/CENAT
Rodrigo Mora -CENAT
Mónica Vargas San Gil – UCR
Elena Sánchez Brenes – UCR
Abraham Valerio – UCR
Natalia González Sánchez Alejandra Hidalgo Díaz – UCR
Nicole Jensen Líos – UCR
María Fernanda Velásquez Marín Kimberly Roldán – TEC
Lilliam Trejos – TEC
Gabriel Omar Rivas Hernández- TEC
Consultoría, edición y revisión del artículo:
Dr. Leonardo Lesser Rojas de CICANUM UCR
Dra Carolina Centeno del TEC
Dr. Sergio Paniagua del LANOTEC/CENAT
Fuentes adicionales del artículo
Andrade, A. (8 de agosto de 2018) Diatomeas. La Ciencia en Pocas Palabras. Revista Saber Más. Número 39. https://www.sabermas.umich.mx/archivo/la-ciencia-en-pocas-palabras/339-numero-39/614-diatomeas.html
Biomateriales. National Institute Of Biomedical Imaging And Bioengineering.
Recuperado el 23 de Abril de 2024 de: https://www.nibib.nih.gov/espanol/temas-cientificos/biomateriales
Bradbury, J. (2004). Nature’s Nanotechnologists: Unveiling the Secrets of Diatoms. PLOS
Biology, 2(10), e306. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0020306
Ingeniería de Tejidos y Medicina Regenerativa. (2024). National Institute Of Biomedical
Imaging And Bioengineering. Recuperado el 23 de Abril de 2024 de: https://www.nibib.nih.gov/espanol/temas-cientificos/ingenier%C3%ADa-de-tejidos-y-medicina-regenerativa-0
Tejidos óseos (2024) Diccionario de cáncer. Instituto Nacional del Cáncer. Recuperado el 23 de Abril de 2024 de: https://www.cancer.gov/espanol/publicaciones/diccionarios/diccionario-cancer/def/tejido-oseo
Universidad De los Andes, (2018, 20 febrero). ¿Qué es la nanobiotecnología? Universidad de los Andes – Colombia – Sitio Oficial. https://uniandes.edu.co/es/noticias/ciencias-biologicas/que-es-nanobiotecnologia