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USO DE BIOPOLÍMEROS PARA LA ELABORACIÓN DE ANDAMIOS CON APLICACIÓN
EN INGENIERÍA TISULAR
Pe ez-Puyana, Víc o . Ca eño-Ca mona Isabel. Rome o Ga cía, Albe o. Gue e o
Conejo, An onio.
Tecnología y diseño de P oduc os Mul icomponen es (TEP-229). Depa amen o de
Ingenie ía Química. Escuela Poli écnica Supe io . Uni e sidad de Se illa.
RESUMEN
El obje i o de la ingenie ía isula es epa a ó ganos y/o ejidos dañados. Se basa en es pila es
impo an es: células, ac o es de c ecimien o y andamios. Los andamios son ma ices po osas que si en
de pla a o ma de anclaje pa a la adhesión de las células y o ecen el ambien e idóneo pa a la libe ación
de células y sus moléculas iniciado as y con ello su c ecimien o. Además, el andamio debe man ene su
in eg idad has a que el ejido o mado enga su icien e in eg idad mecánica pa a sos ene se. En e el
ma e ial usado pa a el desa ollo de andamios des acan los biopolíme os: una p o eína como el colágeno
y un polisacá ido como el qui osano, que apo an eno me biocompa ibilidad. Uno de los e os en es os
andamios es p opo ciona las adecuadas p opiedades mecánicas du an e su u ilización. Pa a ello, se lle a
a cabo un p oceso de en ec uzamien o, es deci , la unión de cadenas biopolimé icas en e sí. Es as
uniones pueden ealiza se median e di e en es ías de en ec uzamien o: ísicas, químicas y enzimá icas.
Palab as cla e: andamios, en ec uzamien o, biopolíme os, ingenie ía isula , p opiedades mecánicas.
ABSTRACT
The goal o issue enginee ing is o epai damaged issues. I is based on h ee impo an ac o s:
cells, g ow h ac o s and sca olds. The sca olds a e po ous ma ices which se e as pla o m o cell
adhesion and o e he ideal en i onmen o he elease o cells and hei p ime s and so, hei g ow h.
In addi ion, he sca old mus keep hei in eg i y un il he issue o med has enough mechanical in eg i y.
Among he possible ma e ial used o he de elopmen o sca olds, biopolyme s can be highligh ed he
biopolyme s: a p o ein such as collagen and a polysaccha ide such as chi osan, which p o ide eno mous
biocompa ibili y. One o he challenges in hese sca olds is o p o ide he app op ia e mechanical
p ope ies du ing hei use. To achie e i , an addi ional c osslinking p ocess is ca ied ou , so, he bond o
di e en biopolyme chains. These bonds can be p oduced by di e en ways: physical, chemical and
enzyma ic pa hways.
Keywo ds: sca olds, c osslinking, biopolyme s, issue enginee ing, mechanical p ope ies.
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
La ingenie ía isula iene como obje i o desa olla ejidos biológicos. Es un campo
in e disciplina io que aplica los p incipios y mé odos de la bioingenie ía, la ciencia de los ma e iales, la
química y la medicina con el in de desa olla ejidos biológicos que es ablece án, man end án y
mejo a án las unciones isula es después del daño debido a una en e medad o acciden e po p ocesos
aumá icos (Lin e al,2015). Los p incipios gene ales de la ingenie ía de ejidos in oluc an la combinación
de células i as con un sopo e na u al / sin é ico o andamio pa a cons ui una ma iz idimensional que
sea uncional, es uc u al y mecánicamen e igual o mejo que el ejido que se eemplaza á. En gene al, la
ingenie ía de ejidos se puede subdi idi en es pila es p incipales: inyección o asplan e de células
aisladas, suminis o de biomoléculas induc o as de ejido (po ejemplo, ac o es de c ecimien o), y
andamios idimensionales (3D) (Jana e al, 2014). Se ha a anzado mucho en el campo de la ingenie ía de
ejidos, pe o se necesi a más abajo pa a eemplaza ó ganos y ejidos. La uen e celula óp ima, el diseño
de andamios y bio eac o es in i o, así como el uso y desa ollo de ecnología de mic o ab icación pa a
c ea ejidos y ó ganos ascula izados es án siendo in es igados ac ualmen e. La búsqueda de una célula
mad e mul ipo en e o plu ipo en e adecuada en ingenie ía isula es un concep o eme gen e.
Cie amen e, muchas á eas de in es igación con células mad e y sus aplicaciones clínicas po enciales
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es án asociadas con con o e sias; po lo an o, es impo an e abo da cla amen e los p oblemas é icos,
legales y sociales (Kim e al, 2005).
El andamio ideal pa a ingenie ía isula debe ene p opiedades especí icas du an e odo el iempo
de su ope ación. En es e sen ido, deben p opo ciona un sopo e mecánico biocompa ible, que no induzca
una espues a isula ad e sa y que pueda sopo a empo almen e la ca ga mecánica del ejido que se
a a ag ega . También debe ene una asa de deg adación ap opiada, equi alen e a la del p oceso de
egene ación isula , y una po osidad in e conec ada con una dis ibución de amaño de po o adecuada
pa a p omo e la in asión celula y isula , el á ico de me aboli os y un á ea supe icial especí ica al a
pa a el anclaje celula (Van Vlie be ghe e al, 2011). Po supues o, debe p omo e el econocimien o
biológico, de una mane a que apoye y p omue a la adhesión celula , la mig ación, la p oli e ación y la
di e enciación. Deben posee es abilidad ísica a lo la go del iempo en que es án en con ac o con el
o ganismo. Es os equisi os de es abilidad deben man ene se du an e la es e ilización o el
almacenamien o y su implan ación.
Los andamios se pueden desa olla usando políme os na u ales o sin é icos. Hoy en día, los
políme os na u ales (o biopolíme os) son ampliamen e u ilizados pa a la egene ación de ó ganos y
ejidos ya que acili an la adhesión y di e enciación de las células (Pich e al, 2012). Debido a su amplio
uso, los biopolíme os se conside an una excelen e subca ego ía pa a el desa ollo de es as es uc u as.
Los biopolíme os pueden se polinucleó idos ( ales como los ácidos nucleicos ADN y ARN), polipép idos
(es deci , p o eínas) o polisacá idos. Es os ma e iales polimé icos consis en en cadenas la gas hechas de
unidades epe i i as, unidas co alen emen e, ales como nucleó idos, aminoácidos o monosacá idos.
Las ma e ias p imas en es e es udio han sido colágeno y qui osano, ambas biopolíme os. Como
es as ma e ias p imas ienen o igen biológico no apo an mucha esis encia mecánica po lo que una
posible solución es el uso de algún p oceso de e iculación. Exis en a ios ipos ales como e iculación
ísica (a a és de luz ul a iole a o a amien o deshid o é mico) (Jana e al, 2014), e iculación ísica
(aldehídos, ca boimidas, e c.) (Bae e al, 2013) o e iculación enzimá ica (po ejemplo, con
ansglu aminasa) (Teixei a e al, 2012).
METODOLOGÍA
Ma e iales
La ma e ia p ima u ilizado ha sido colágeno de o igen po cino (p o eína) (CG) y qui osano
(polisacá ido) (CH). El disol en e usado es ácido acé ico 0,05M. Como agen es e iculan es que ac úan
sob e el colágeno se han usado glu a aldehido (GA) y enzima come cial ansglu aminasa (Tgasa).
P ocesado de andamios
La ob ención de es as ma ices biopolimé icas (andamios) ha sido median e el p oceso de
sepa ación de ases, que consis e en la congelación (-40ºC) de una disolución p e iamen e p epa ada
seguida de un p oceso de lio ilización du an e 24 h (-80ºC, <15Pa). La mayo ía de andamios se han
elabo ado con el mismo p o ocolo excep o en el caso de añadi asglu aminasa como agen e e iculan e
que es e p ocesado su e una lige a modi icación debido a que es a enzima iene unas condiciones
óp imas de ac uación (50˚C y agi ación). Se han p ocesado andamios siguiendo una o mulación colágeno-
qui osano 50-50 (1% en peso). El esquema del p oceso lle ado a cabo puede e se en la Figu a 1.
Figu a 23: Esquema del p ocesado de andamios lle ado a cabo con los dis in os mé odos de en ec uzamien o
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Ca ac e ización de andamios
- Ensayos Reológicos: Pa a ello, se han ealizado ensayos de comp esión dinámica pa a el es udio
de las p opiedades mecánicas de los andamios con un eóme o RSA3 (TA Ins umen s, USA). Se han
lle ado a cabo ba idos de de o mación (0.002-2%) pa a de e mina el ango iscoelás ico lineal y ob ene
así la de o mación c í ica de los andamios. A con inuación, se han ealizado ba idos de ecuencia (0.02-
20Hz) a una de o mación especí ica pa a cada sis ema den o del in e alo lineal p e iamen e ob enido.
- Po osidad (ε): La po osidad de los andamios se ha calculado a pa i de la siguien e ecuación (Al-
Munajjed e al, 2008):
siendo ρs la densidad del andamio (ob enida pesando po iplicado andamios de los di e en es
sis emas y calculando su olumen) y ρm la densidad de la ma e ia p ima (colágeno y qui osano en unción
a su elación).
- Po osime ía de Me cu io: Se ca ac e iza el amaño, densidad de po os e incluso su
in e conec i idad median e la aplicación de me cu io a baja p esión en un po osíme o Po e Mas e 60
GT.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La Figu a 2 mues a la mo ología de los andamios p ocesados con cada uno de los es mé odos
de en ec uzamien o u ilizados ( ísico, químico y enzimá ico).
Figu a 2: Imágenes mac oscópicas de los andamios elabo ados po di e en es mé odos de
en ec uzamien o.
Todos es os andamios ienen la misma o mulación colágeno-qui osano 50-50, di e enciándose en
la ía de e iculación usada: (A) e iculación ísica, (B) e iculación enzimá ica y, po úl imo, (C) e iculación
química.
Tabla 8: Po cen aje de po osidad y amaño medio de po o de andamios po di e sas ías de e iculación: ísica,
química y enzimá ica.
Los da os ob enidos sob e la po osidad de los dis in os sis emas elabo ados se ecogen en la abla
1. El po cen aje de po osidad se man iene lige amen e es able pe o el amaño de po o medio a ía
bas an e según la ía de e iculación, siendo de mayo amaño los po os p oducidos en la e iculación
é mica. Es e amaño es a á muy inculado al ipo de célula que se quie a cul i a y sus ac o es de
c ecimien o.
O a de las p opiedades a ene en cuen a en los andamios son sus p opiedades mecánicas que se
obse an en la Figu a 3. En es a igu a se obse a el ca ác e elas omé ico de los andamios sin e izados.
Todos ellos p esen an un compo amien o elás ico po encon a se E’ po encima que E’’, eniendo la
mayo cons an e de elas icidad el sis ema con e iculación ísica y la meno el sis ema con e iculación
química.
A
B
C
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Figu a 3: E olución del módulo elás ico (E’) y iscoso (E’’) de los andamios (1% en peso, elación 50:50 de
CG:CH) ob enidos con di e en e mé odos de en ec uzamien o: Físico, Químico y Enzimá ico.
En la Figu a 4 se p esen a la de o mación c í ica de cada uno de los sis emas. Es e pa áme o
esul a in e esan e, ya que es la máxima de o mación que pod ía expe imen a sin llega a ompe se. En
el momen o de cul i a las células en es os sopo es es e pa áme o es c ucial. El andamio jun o con el
cul i o de células y sus ac o es de c ecimien o se in oduci án en un bio eac o , en el que se p oduce
una cie a de o mación sob e los andamios y, po es e mo i o, los andamios deben p esen a cie a
esis encia mecánica y al a de o mación c í ica. Como puede obse a se, el sis ema con mayo
de o mación c í ica es el p oducido con un en ec uzamien o enzimá ico, duplicando el alo de
de o mación c í ica si lo compa amos con el caso de e iculación ísica.
Figu a 4: De o mación C í ica de los andamios es udiados (1% en peso, elación 50:50 de CG:CH) p ocesados
con di e en es mé odos de en ec uzamien os: Re iculación (Re .) Física, Química y Enzimá ica.
CONCLUSIONES
T as es e es udio se demues a la posibilidad de desa olla andamios con 1% de colágeno (CG)
y qui osano (CH) ( elación CG:CH de 50:50), con adecuadas p opiedades mecánicas y mo ológicas.
La adición de agen es de e iculación (en ec uzamien o) químico o enzimá ico con ie e a los
andamios un mayo ca ác e elas omé ico, como e leja el inc emen o en la de o mación c í ica. Aunque
es e inc emen o conduce a una mode ada educción en el módulo elás ico y amaño de po o medio, el
inc emen o de la de o mación puede que sea bene icioso en el uso del bio eac o donde una
de o mación dinámica se aplica du an e el cul i o de las células.
AGRADECIMIENTOS
Es e abajo es pa e del p oyec o inanciado po el “Minis e io de Economía y Compe i i idad”
del Gobie no Español (Re . CTQ2015-71164-P, MINECO/FEDER, UE). Los au o es ag adecen a la
Uni e sidad de Se illa la beca p edoc o al de Víc o M. Pé ez Puyana den o del V Plan P opio de
In es igación.
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