Desarrollo de vidrio bioactivo a partir de diferentes fuentes de silicio para uso como refuerzo de scaffolds de quitosano en ingeniería de tejidos

Abstract

RESUMEN: elevadas propiedades que poseen, como lo es la biocompatibilidad, bioactividad, entre otras. Los biomateriales compuestos por su semejanza con la estructura natural del cuerpo son deseables en la ingeniería de tejidos, en el caso del hueso se buscan que contengan una fase mineral y una fase polimérica. En la fabricación de estructuras compuestas resaltan materiales como el colágeno y el quitosano como biopolímeros biocompatibles y los fosfatos de calcio como cerámicos bioactivos. Sin embargo, desde años atrás se ha incorporado el uso de otro cerámico que ha probado ser oseoinductor además de bioactivo, conocido como vidrio bioactivo. El objetivo de este trabajo fue fabricar plataformas de crecimiento celular (scaffolds) de quitosano reforzadas con vidrio bioactivo sintetizado con diferentes fuentes de sílice. Para lograrlo se abordaron dos frentes, inicialmente la síntesis de vidrio bioactivo (VB) usando distintas fuentes de sílice; y posteriormente, la fabricación de los scaffolds usando los VB sintetizados. Para la primera etapa se utilizó TetraEtil OrtoSilicato (TEOS) como primera fuente de sílice, usando un diseño experimental de mezclas para determinar la mejor composición en comportamiento bioactivo. Se sintetizaron 10 diferentes formulaciones que se analizaron por Difracción de Rayos X (DRX) y ensayo de bioactividad evaluado por Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Espectroscopía por Energía Dispersiva con Rayos X (EDS). La composición 60%SiO2-6%P2O5-34%CaO fue la que mejor presentó un comportamiento bioactivo con la formación de una capa de apatita en su superficie con una relación Ca/P similar a la del hueso y morfología sub-micrométrica adecuada para la regeneración de tejido óseo. Paralelamente, se utilizaron fuentes naturales de sílice para la segunda síntesis de VB. Las fuentes utilizadas fueron la cascarilla de arroz, la cáscara de corozo y el raquis de palma africana. Con la primer fuente se realizó un calcinado para la obtención de la sílice pura, con las fuentes restantes se siguió un tratamiento alcalino seguido de una precipitación por cambios de pH. Los polvos obtenidos se caracterizaron por DRX y Espectroscopía Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR), pudiéndose identificar que se lograba obtener sílice puro a partir de la cascarilla de arroz, mientras que con las otras fuentes la sílice extraída se encontraba contaminada por cristales de sulfato de sodio. El VB sintetizado con la fuente natural se realizó con la sílice obtenida de cascarilla de arroz siguiendo un proceso similar al usado con TEOS. Este fue caracterizado por DRX y ensayo de bioactividad, comprobándose que presentaba un comportamiento similar al sintetizado con TEOS, formando una capa de apatita en la superficie con una relación Ca/P comparable con la del hueso. Ambos VB fueron usados como refuerzo en la fabricación de scaffolds de quitosano con dos composiciones para cada uno, el primero con la misma cantidad en gramos del quitosano y el otro con la mitad de la cantidad denominados 1:1_CH/VB y 2:1_CH/VB, respectivamente. Los scaffolds fueron caracterizados química y morfológicamente para determinar unión química entre ambos materiales y si había formación de poros con un tamaño de diámetro superior a 200 µm. Se identificó una posible interacción química entre los VB y el quitosano, además se obtuvieron estructuras con poros interconectados, buen porcentaje de porosidad y diámetros de poros superiores al establecido. Adicionalmente, los scaffolds se evaluaron por medio de resistencia a la compresión, degradación, bioactividad y comportamiento antimicrobiano. Para el ensayo a compresión se evaluó la resistencia de los scaffolds en comparación al hueso. En este sentido los resultados obtenidos no fueron tan elevados debido a la porosidad que provocó fracturas en el material. Respecto a los ensayos in vitro se evaluó la degradación y bioactividad en Fluido Corporal Simulado (SBF) por 28 y 21 días, respectivamente. Se determinó que la presencia de VB aumenta el comportamiento bioactivo provocando la formación de apatitas en la superficie. Mientras que, con el ensayo de degradación se concluyó que los scaffolds pierden estabilidad después de 21 días, lo que puede afectar la regeneración tisular; no obstante, es necesario realizar más pruebas. Finalmente, con los ensayos antimicrobianos se evaluó el efecto de los scaffolds contra Escherichia coli, Staphylococcus aureus y Fusarium oxysporum, como cepas bacterianas y fúngica por el método de difusión en agar. Con esto se obtuvo que todos los scaffolds poseen un efecto bactericida generando un halo de inhibición estable por 5 días, tiempo que duró el ensayo. Respecto al comportamiento contra el hongo, se evidenció una respuesta antifúngica por todos los scaffolds. Ambas respuestas, tanto bacteriana como fúngica, fueron mayores en los scaffolds reforzados, con lo que se puede decir que los cerámicos obtenidos también poseen efecto antimicrobiano. De acuerdo a los resultados, se determinó como mejor scaffold al 1:1_CH/VB con el VB sintetizado con TEOS, concluyéndose que posee propiedades adecuadas para la regeneración de tejido óseo.