Electrohilado de sistemas poliméricos a base de quitosano para la producción de soportes nanoestructurados. Caracterización y potencial aplicación en ingeniería de tejidos

Abstract

La ingeniería tisular representa una herramienta potencial para promover la reparación de cartílago dañado, donde una matriz extracelular (MEC) artificial en 3D es esencial para generar tejidos nuevos. Ningún procedimiento actual para la renovación de cartílago ha logrado una regeneración duradera y, además, el tejido muestra poca tendencia a la autorreparación. Las MECs nativas pueden ser imitadas eficazmente por membranas de nanofibras electrohiladas, especialmente utilizando polímeros de origen natural. En este trabajo, sistemas a base de quitosano (puro y mezclado con hialuronano) se transforman, mediante electrohilado, en membranas nanofibrosas, biocompatibles y biodegradables adaptadas para el desarrollo de condrocitos. Se afirma que los materiales basados en CS favorecen la adhesión y el crecimiento celular, proporcionando el microambiente adecuado para la preservación fenotípica de condrocitos. Se prepararon soluciones homogéneas de quitosano (CS), hialuronano (HA) y del complejo polielectrolítico CS/HA a diferentes relaciones de carga, utilizando como disolvente mezclas de ácido fórmico y agua. La estabilidad del complejo se mejoró mediante un tratamiento térmico a 120°C. Tras este tratamiento, se obtuvieron muestras más rígidas del complejo CS/HA. La cristalización del material y la formación de puentes amida (-CONH2) están relacionados con las modificaciones de dichas propiedades. Para lograr el electrohilado, se incorporó óxido de polietileno (PEO) de 1000 kg/mol a las soluciones de CS y HA. El contenido de PEO en la mezcla se fijó en un 30 % en masa y se obtuvieron fibras electrohiladas de CS/PEO y CS/HA/PEO, con diámetros que oscilan entre 100-200 nm. Varios tipos de colectores permitieron la producción de matrices nanofibrosas con una disposición visible de fibras en función de la estructura del colector. Las membranas de fibras estructuradas se produjeron y aplicaron como bio-sustrato para el cultivo de condrocitos y la observación de la morfología celular. Las mediciones de microscopía de fuerza atómica entre condrocitos y el CS, en forma de película y fibras, ayudaron a comparar la fuerza de adhesión en función de la topografía del sustrato. La fuerza de adhesión célula-sustrato es ligeramente superior en el caso de la película de CS en comparación con la matriz de fibras. Sin embargo, la adhesión es más eficaz en las matrices dado que la célula está en contacto con varias fibras, considerando una menor área de contacto efectiva (porosidad del soporte ~40%), mientras que, en contacto completo con la película de CS, la célula se expande. Para el cultivo celular, se destaca la importancia de la estabilización de las fibras de CS, por neutralización. Las pruebas de proliferación celular, realizadas sobre las membranas de fibras de CS, revelaron que las fibras conducen a tasas de proliferación más altas en comparación con las películas de CS. 2 La topografía de membranas de nanofibras electrohiladas podría afectar a los patrones de colonización celular. Se detectó cierta orientación celular en determinadas zonas de las membranas donde las fibras también están alineadas. Del mismo modo, se observó una concentración de células en zonas de la matriz más densas en fibras. Al comparar el desarrollo de condrocitos en sustratos de CS y CS/HA, se observa que la confluencia celular se alcanza primero en el complejo CS/HA que en las fibras de CS. El desarrollo celular podría mejorar por la presencia de HA en el soporte, ya que es un componente natural de la MEC, favoreciendo la adhesión celular. En ambos casos, se detectaron altos valores de viabilidad de condrocitos (>90%). En cuanto a la morfología celular, los condrocitos primarios están empaquetados individualmente en el cartílago, manteniendo una forma ovoide. Esta forma también se observa cuando estos se cultivan sobre membranas fibrosas de CS y CS/HA. Por el contrario, las células se adhieren y se expanden en cultivos en monocapa sobre superficies planas como películas y placas de Petri. La conservación de la morfología podría indicar el mantenimiento de las características celulares nativas. Como procedimiento alternativo para la implantación de células/sustratos, se estudió la viabilidad de preparar inyecciones intraarticulares de suspensiones de células/fibras. Los perfiles de proliferación difieren parcialmente de los obtenidos sobre membranas de fibras de CS, atribuidos principalmente a la limitada superficie disponible para el desarrollo celular en la suspensión de fibras fragmentadas en contraste con los soportes fibrosos continuos. En conclusión, la optimización del proceso de electrohilado y la caracterización del material permitieron el uso de membranas de nanofibras estables para el desarrollo de condrocitos en busca de aplicaciones de reparación de tejidos. Se ha confirmado la compatibilidad de las matrices de fibras basadas en CS y se ha comparado la eficiencia del sustrato en función de la topografía del material (películas, fibras aleatorias y fibras alineadas). Teniendo en cuenta los prometedores resultados obtenidos, las membranas nanofibrosas de CS y CS/HA pueden considerarse como estructuras con potencial aplicación, que mantienen la forma celular nativa y los perfiles de proliferación adecuados. Dado que algunos pacientes no son aptos para cirugía, el enfoque inyectable propuesto pretende convertirse en un valioso tratamiento para la regeneración de cartílago.