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Hidrogeles inteligentes que entregan ox�geno para la regeneraci�n del tejido cartilaginoso: Una revisi�n

 

Smart oxygen-delivery hydrogels for cartilage tissue regeneration: A review

 

Hidrog�is distribuidores de oxig�nio inteligentes para regenera��o do tecido da cartilagem: Uma revis�o

 

Caterine Yesenia Carrasco-Montesdeoca ^I

caterine.carrasco@espoch.edu.ec

https://orcid.org/0000-0002-5704-5563

 

Paola Bel�n Salazar-Montero ^II

psalazar@institutos.gob.ec

https://orcid.org/0000-0002-9509-6521

 

Correspondencia: caterine.carrasco@espoch.edu.ec

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culo de investigaci�n

 

*Recibido: 22 de mayo de 2021 *Aceptado: 20 de junio de 2021 * Publicado: 05 de julio de 2021

                               I.            Master en Ciencia e Ingenier�a de Materiales, Biof�sica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

                            II.            Master en Prevenci�n de Riesgos Laborales, M�dico General, Docente del Instituto Tecnol�gico Superior Riobamba,� Riobamba, Ecuador.

Resumen

El cart�lago es uno de los tejidos del cuerpo que no se repara por s� solo, los problemas asociados con el cart�lago son muy comunes en todo el mundo y se consideran la principal causa de dolor y discapacidad, la falta de ox�geno en el tejido es una de las principales causas que hace que las c�lulas proliferen lentamente o a su vez no proliferen, dando como resultado una regeneraci�n casi nula. Este problema despierta el inter�s de estudiar nuevos materiales con propiedades similares a la matriz extracelular nativa, capaces de entregar suministros de ox�geno, que permitan el crecimiento celular en ambientes hip�xicos para reparar el tejido cartilaginoso. De esta manera, el presente trabajo tiene la finalidad de investigar a trav�s de la metodolog�a de revisi�n bibliogr�fica los hidrogeles sus propiedades qu�micas y f�sicas �ptimas que permitan responder a est�mulos externos para liberar varios agentes bioactivos para promover una respuesta tisular deseable. En esta revisi�n bibliogr�fica tambi�n se explora diferentes tipos y caracter�sticas de hidrogeles y, espec�ficamente, la gelatina metraciloilo por ser un tipo de hidrogel modificado que permite encapsular nanopart�culas liberadoras de ox�geno, en presencia de medio acuoso y mediante la porosidad e hinchamiento controladas, permite el intercambio de sustancias entre el medio interno con el medio externo de la matriz. Adem�s, en esta revisi�n bibliogr�fica tambi�n se discuten los m�todos de s�ntesis de biomateriales liberadores de ox�geno y su mecanismo de liberaci�n.

Palabras claves: Biomateriales inteligentes; regeneraci�n del tejido cartilaginoso; gelatina metacrioilo (GelMA); nanopart�culas liberadoras de ox�geno.

 

Abstract

Cartilage is one of the tissues of the body that does not repair itself, the issues associated with cartilage are very common throughout the world and also are considered the main cause of pain and disability, the lack of oxygen in the tissue is a one of the main causes that makes cells proliferate slowly or in turn not proliferate resulting in almost zero regeneration. This problem arouses the interest of studying new materials with properties similar to the native extracellular matrix being able to delivering oxygen supplies, which allow cells growth in hypoxic environments to repair cartilage tissue. In this way, the present research has as a purpose of investigating through the literature review methodology hydrogels their optimal chemical and physical properties that allow them to respond to external stimulus to release various bioactive agents to further promote a desirable tissue response. This bibliographic review also explores different types and characteristics of hydrogels and specifically methacyloyl gelatin as it is a type of modified hydrogel that allows encapsulation of oxygen-releasing nanoparticles, in the presence of an aqueous medium and by means of controlled porosity and swelling, exchange of substances between the internal environment with the external environment of the matrix. In addition, this bibliographic review the synthesis methods of oxygen-releasing biomaterials and their release mechanism were discussed.

Keywords: Smart biomaterials; cartilage tissue regeneration; gelatin methacryloyl (GelMA); oxygen-releasing nanoparticles.

 

Resumo

A cartilagem � um dos tecidos do corpo que n�o se auto-repara, os problemas associados � cartilagem s�o muito comuns em todo o mundo e s�o considerados a principal causa de dor e incapacidade, a falta de oxig�nio no tecido � uma das principais causas que faz as c�lulas proliferarem lentamente ou, por sua vez, n�o proliferarem, resultando em quase nenhuma regenera��o. Esse problema desperta o interesse de estudar novos materiais com propriedades semelhantes � matriz extracelular nativa, capazes de fornecer suprimentos de oxig�nio, que permitem o crescimento celular em ambientes hip�xicos para reparar o tecido da cartilagem. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo investigar atrav�s da metodologia de revis�o de literatura hidrog�is suas propriedades qu�micas e f�sicas �timas que os permitem responder a est�mulos externos para liberar v�rios agentes bioativos para promover uma resposta tecidual desej�vel. Esta revis�o bibliogr�fica tamb�m explora diferentes tipos e caracter�sticas de hidrog�is e, especificamente, metraciloil gelatina por ser um tipo de hidrogel modificado que permite o encapsulamento de nanopart�culas liberadoras de oxig�nio, na presen�a de meio aquoso e por meio de porosidade e inchamento controlados. troca de subst�ncias entre o ambiente interno com o ambiente externo da matriz. Al�m disso, esta revis�o de literatura tamb�m discute os m�todos de s�ntese de biomateriais liberadores de oxig�nio e seu mecanismo de libera��o.

Palavras-chave: Biomateriais inteligentes; regenera��o do tecido da cartilagem; gelatina de metacrioil (GelMA); nanopart�culas de libera��o de oxig�nio

 

Introducci�n

El tejido del cart�lago es uno de los tejidos m�s cr�ticos para la reparaci�n. No puede regenerarse por s� mismo debido a la peque�a cantidad de ox�geno y por la falta de vasos sangu�neos, nervios y vasos linf�ticos, dando lugar a un ambiente hip�xico. Por lo tanto, las c�lulas del cart�lago no tienen cantidades suficientes de ox�geno para proliferar y diferenciarse, lo que a menudo causa la muerte celular despu�s de una lesi�n [1]. Se requiere un per�odo de 4 a 6 semanas para llegar a la vascularizaci�n con un 83% de permeabilidad dentro de un tejido da�ado [2]. La regeneraci�n completa del cart�lago tarda 21 d�as, pero el per�odo m�s cr�tico es despu�s de ese periodo, requiriendo de suplementos de ox�geno [1], [3].

La ingenier�a de tejidos ha desarrollado materiales biol�gicos (biomateriales) basados en hidrogeles hechos de pol�meros naturales o sint�ticos con composici�n y propiedades mec�nicas comparables a la matriz extracelular nativa del cart�lago, que se utilizan para generar andamios para la regeneraci�n del cart�lago [4]. Un problema importante con los andamios tradicionales es que no pueden formar un entorno con concentraciones adecuadas de ox�geno en el interior, lo que perjudica la potencial regeneraci�n de los tejidos.

Se han construido algunas tecnolog�as para suministrar ox�geno y promover el crecimiento celular, como el biorreactor de perfusi�n, t�cnicas de microfluidos, incorporaci�n de matrices de andamiaje formadas por c�lulas angiog�nicas para una r�pida neovascularizaci�n y para facilitar la formaci�n de vasos sangu�neos. Otros estudios han utilizado matrices de andamio interconectadas porosas que liberan factores de crecimiento. Sin embargo, no se han logrado resultados excelentes debido a la falta de homogeneidad de los factores de crecimiento 3D, la vascularizaci�n deficiente formada tanto in vitro como in vivo, vascularizaci�n incompleta y falta de ox�geno [5].

En los �ltimos a�os se han utilizado diferentes materiales de origen natural y sint�tico, como gelatina, quitosano, condroit�n sulfato, �cido hialur�nico, poli (alcohol vin�lico) (PVA) y gelatina de metacriloilo (GelMA), para fabricar biomateriales liberadores de ox�geno para reparaci�n de cart�lago[6]

El suministro de ox�geno se ha efectuado mediante la carga de part�culas liberadoras de ox�geno, dentro de los hidrogeles que se descomponen en un medio acuoso formando andamios biol�gicos funcionales, permitiendo evaluar in vitro la proliferaci�n celular y la supervivencia celular en condiciones naturales. Han sido sintetizado algunos materiales con forma de part�culas que liberan ox�geno, incluida: la emulsi�n de perfluorocarbono (PFC) [7], part�culas de hemoglina [8], per�xido de calcio (CPO), per�xido de hidr�geno (H2O2), y part�culas de percarbonato de sodio (SPO) [9], que puede formar ox�geno dentro o junto a los tejidos creados para permitir la migraci�n celular, la neovascularizaci�n y el crecimiento ideal de los tejidos [10].

Idealmente, los materiales liberadores de ox�geno deben proporcionar suministro de ox�geno durante 1 a 2 semanas, que es el rango necesario para la vascularizaci�n posterior a la implantaci�n y es un per�odo cr�tico en el que las c�lulas necesitan ox�geno, que debe satisfacerse con un suministro externo [11]. Uno de los par�metros importantes es la liberaci�n controlada, lo que significa que las cantidades de ox�geno no deben exceder el porcentaje de ox�geno liberado, el exceso puede inhibir la vascularizaci�n, la diferenciaci�n o causar da�o tisular.

A la vascularizaci�n le siguen tres etapas. Primero, la hipoxia que permite la angiog�nesis, seguida de la hiperoxia y finalmente la recuperaci�n que es cuando el tejido necesite cantidades extra de ox�geno, pero sin producir las especies radiactivas o cambios en el pH para evitar inducir la apoptosis y permitir una vascularizaci�n completa [12].

Las nanopart�culas de per�xido de calcio (CPO) son un material liberador de ox�geno que se carga dentro de los hidrogeles, el CPO tiene mejores caracter�sticas que otros compuestos, presenta mayor pureza, una oxigenaci�n m�s controlable [10], y la sobresaturaci�n inicial no ocurre como en los per�xidos l�quidos. En presencia de una enzima �la catalasa�, la reacci�n qu�mica evita por completo la formaci�n de especies oxidantes reactivas (ROS) y la liberaci�n controlada y sostenida de ox�geno por el CPO[13].

Muchas investigaciones buscan generar materiales inteligentes que combinen materiales polim�ricos con caracter�sticas similares a la matriz extracelular y part�culas que permitan la liberaci�n de ox�geno y controlen el tiempo que se tarda en regenerar el tejido, sin formar respuestas de toxicidad negativas dentro del tejido. Estos temas son los principales enfoques de este art�culo de revisi�n bibliogr�fica. Por lo tanto, esta revisi�n bibliogr�fica tiene como objetivo presentar algunos conceptos, mecanismos y nanopart�culas cargadas dentro de los pol�meros para crear materiales inteligentes que puedan suministrar cantidades de ox�geno para la regeneraci�n del cart�lago.

 

Ox�geno y Cart�lago

Durante el proceso del tejido, es esencial un gran suministro de ox�geno, porque el ox�geno molecular (O2) es un requisito previo para la proliferaci�n y diferenciaci�n celular y la formaci�n de nuevos tejidos.

Aunque las c�lulas del cart�lago articular est�n adaptadas para sobrevivir en un ambiente de hipoxia, un nivel de ox�geno adecuado es esencial para su actividad metab�lica normal. Los niveles de ox�geno por debajo del 1% alteran significativamente la actividad celular de los condrocitos que inhiben la captaci�n de glucosa y la s�ntesis celular de �cido ribonucleico (ARN). Adem�s, los niveles de ox�geno hasta el 1% hacen que la c�lula produzca cart�lago calcificado. [14].

Grimshaw y Mason, mostraron el papel del ox�geno en el metabolismo de los condrocitos, comparando el comportamiento de condrocitos articulares bovinos cultivados en perlas de alginato por un per�odo de 7 d�as en medio, mantenidos a diferentes niveles de ox�geno (<0,1; 5; 10 y 20%). Los resultados demostraron que los condrocitos articulares deben cultivarse a niveles de ox�geno entre 5% a 10%, las c�lulas mostraron mayor actividad en este rango [15].

 

Materiales liberadores de ox�geno

Los biomateriales con nanopart�culas liberadoras de ox�geno se consideran materiales inteligentes con aplicaciones potenciales en el mercado biom�dico, especialmente para c�lulas y tejidos con m�s actividad metab�lica, y como materiales portadores de suplementos de ox�geno para mantener tejidos sanos (Ej. Coraz�n, p�ncreas, m�sculo, cart�lago, piel) [16]. Varios tipos de nanopart�culas y sus compuestos en combinaci�n con hidrogeles no solo generan diversidad estructural, sino que tambi�n mejoran la resistencia mec�nica y las respuestas a la pluralidad de est�mulos [17].

Se pueden crear materiales inteligentes que liberen ox�geno mediante la incorporaci�n de per�xidos de tipos s�lidos, l�quidos o fluorados [5], incorporado en construcciones de diferentes formas, como microesferas, nanopart�culas, pel�culas, electrohilado, nanofibras, electropulverizaci�n y andamios [18]. La figura 1 muestra las estructuras qu�micas de diferentes elementos liberadores de ox�geno.

 

Figura 1: Estructuras qu�micas de elementos liberadores de ox�geno. a) per�xido de hidr�geno, b) per�xido de calcio, c) per�xido de magnesio, d) percarbonato de sodio, e) perfluorodecalina y f) �cido perfluorooctanosulf�nico (PFOS)[5]

 

Per�xidos Inorg�nicos S�lidos

Los per�xidos de sodio, calcio y magnesio son los per�xidos inorg�nicos s�lidos m�s utilizados. La hidr�lisis es la principal mec�nica para la liberaci�n de ox�geno cuando las nano / micropart�culas interact�an con el agua, como se muestra en estas ecuaciones.

 

Per�xido de Calcio���� � ������������� (1)

Per�xido de Magnesio� ���������� (2)

Percarbonato de Sodio� ����� (3)

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Generalmente, el MgO2 tiene una velocidad de reacci�n m�s r�pida que a su vez provoca sobresaturaci�n. Una saturaci�n alta no es eficiente, la muerte de las c�lulas ocurre por el insuficiente suministro de ox�geno para permitir la proliferaci�n y sobrevivencia celular, generalmente esto ocurre cuando se utilizan perfluorocarbonatos [7].

Las nanopart�culas a base de calcio se han utilizado en diferentes aplicaciones, incluida la regeneraci�n de tejidos, otorgan la suficiente cantidad de suministro de ox�geno con una velocidad de reacci�n apta para que las c�lulas proliferen. Este tipo de reacci�n en presencia de una enzima como la catalasa permite la descomposici�n completa del per�xido y no provoca productos t�xicos secundarios, como el per�xido de hidr�geno (H2O2) [18], [19]. La Tabla 1 resume algunos tipos de compuestos generadores de ox�geno, sus coeficientes de solubilidad y cantidades aproximadas de liberaci�n de ox�geno.

Tabla 1: Tipos de compuestos generadores de ox�geno, sus coeficientes de solubilidad y liberaci�n de ox�geno para la regeneraci�n tisular[5]

 

Per�xido inorg�nicos l�quido

En aplicaciones biom�dicas se utilizan per�xidos l�quidos para formar part�culas liberadoras de ox�geno, presentan una excelente solubilidad en medio acuoso y en contacto con el agua permite una r�pida liberaci�n de ox�geno. Su descomposici�n puede producirse en ox�geno y agua. Cuando la enzima catalasa del cuerpo humano est� presente en el h�gado, la sangre se transforma en agua y ox�geno. La descomposici�n sigue estas reacciones:

������������������������� (5)

��������� ����������� (6)

La velocidad de reacci�n es un problema cuando se utilizan per�xidos de hidr�geno, por la reacci�n, generando la sobresaturaci�n inicial de las c�lulas. Abdi y sus colaboradores, encapsularon H2O2 en �cido polil�ctico-co-glicol (PLGA), que fue recubierto por una capa secundaria compuesta de hidrogel de alginato con la catalasa incorporada, esto permiti� la descomposici�n total del per�xido de hidr�geno en ox�geno y agua, evitando la generaci�n de radicales nocivos que influyen viabilidad de los andamios celulares pero liberando ox�geno [20].��

Choi et al. fabricaron microesferas polim�ricas para la liberaci�n sostenida de ox�geno y desarrollaron una esponja mediante la incrustaci�n de microesferas en un hidrogel, a base de alginato, que puede suministrar ox�geno para la cicatrizaci�n de heridas in vitro e in vivo. Usaron un m�todo de doble emulsi�n con PLGA para formar una esponja de hidrogel liberadora de ox�geno porosa (ORHS). Los resultados mostraron que la liberaci�n de ox�geno indujo la neovascularizaci�n y la proliferaci�n celular, ayudando a la cicatrizaci�n de heridas. El d�a 7, hubo una formaci�n completa de la capa de piel [21].

 

M�todos y cin�tica de liberaci�n de ox�geno

La liberaci�n de ox�geno de las nanopart�culas que se hibridan en matrices polim�ricas, as� como la liberaci�n del f�rmaco, se controla mediante difusi�n, hinchamiento del hidrogel, interacciones reversibles nanopart�cula-pol�mero y degradaci�n de enlaces covalentes l�biles, �smosis y erosi�n [22].

El mecanismo de difusi�n junto con la porosidad de la matriz juega un papel importante, otras funciones importantes incluyen el tama�o de las nanopart�culas en los hidrogeles, los resultados han demostrado que un tama�o m�s grande de nanopart�culas incorporadas produce una tasa de liberaci�n m�s baja y tambi�n aumenta la insolubilidad. La tasa de liberaci�n aumenta con sustancias insolubles o poco solubles [22].

En la mayor�a de las matrices de hidrogel, la liberaci�n se controla mediante la difusi�n de las nanopart�culas al exterior de la matriz, la liberaci�n de nanopart�culas depende del tiempo, cuando aumenta el tiempo, la liberaci�n de nanopart�culas disminuye. Si bien la velocidad de liberaci�n disminuye con el tiempo, puede haber un punto de saturaci�n en el que la difusi�n ya no se puede controlar y, en cambio, se controla mediante la disoluci�n de las nanopart�culas en presencia de un medio l�quido. Esto se llama cin�tica de liberaci�n de orden cero [22], [23].

Para las matrices hidr�filas, las principales variables que afectan la liberaci�n son el tipo de pol�mero, la relaci�n nanopart�cula / pol�mero, la solubilidad de las nanopart�culas, el tama�o de las nanopart�culas y otros factores del hidrogel, como viscosidad, fuerza de compresi�n, incorporaci�n y distribuci�n de nanopart�culas en las matrices. Las matrices en contacto con un medio acuoso se hidratan r�pidamente y forman la interfaz s�lido-l�quido [22].

Cuando el medio l�quido entra en la matriz de hidrogel, se produce el hinchamiento, el reordenamiento y la relajaci�n de las cadenas de pol�mero, lo que aumenta el volumen y provoca que las capas m�s externas sufran un proceso de erosi�n. La liberaci�n de ox�geno ocurre en la transici�n del estado cristalino de las matrices por el agua que atraviesa las capas. En el caso de las nanopart�culas de per�xido s�lido, se produce una reacci�n qu�mica y las mol�culas de ox�geno se liberan a trav�s de los poros de la matriz [22].

Es importante entender la cantidad de ox�geno requerido para los tejidos, suficiente ox�geno en las c�lulas es crucial para permitir la supervivencia celular en condiciones hip�xicas y evitar inhibir la vascularizaci�n, diferenciaci�n o da�o tisular por liberaci�n descontrolada de ox�geno [24]. El control de la liberaci�n de ox�geno tiene cuatro razones: 1) el da�o oxidativo de las c�lulas es causado por hiperoxia y por ROS, 2) la diferenciaci�n se ve afectada por las ROS, 3) el proceso inflamatorio es producido por ROS que act�a como mediador; y 4) la hipoxia adecuada estimula la infiltraci�n vascular [25].

�Para ayudar a la proliferaci�n celular evitar la apoptosis y la necrosis, los hidrogeles deben hibridarse con otro tipo de nanopart�culas que se encargan de liberar cantidades suficientes y controladas de ox�geno [26]. Se prefieren las nanopart�culas compuestas de per�xidos porque responden con �xito en medio acuoso en combinaci�n con hidrogeles [18]. La adhesi�n de nanopart�culas de calcio tambi�n ayuda a mejorar la porosidad y la hinchaz�n.

Alemdar et al. utilizaron diferentes concentraciones de CPO al 1, 2 y 3% p / p en hidrogeles GelMA. Este estudio mostr� que la porosidad y la hinchaz�n est�n directamente relacionadas. La relaci�n de hinchamiento aument� de ∼17 � 0,8 a ∼27 � 0,7 para los hidrogeles GelMA tras la incorporaci�n de un 3% de CPO, y la supervivencia celular fue del 80% al 3% de CPO el d�a 5 en comparaci�n con el control, que fue del 60% [19].

Li Z et al, encapsularon per�xido de hidr�geno y poli (2-vinlypiridiona) (PVP) en PLGA para formar micropart�culas, que se cargaron en un hidrogel termosensible de oligo (hidroxibutirato) de metacrilato de hidroxietilo, N-isopropilacrilamida (NIPAAm) y acr�lico �cido (AAC), fueron cargadas c�lulas derivadas de la cardiosfera (CDC) para formar un hidrogel h�brido. Los resultados mostraron una distribuci�n homog�nea de las c�lulas en la estructura 3D y un aumento significativo de la viabilidad celular, con los hidrogeles generadores de ox�geno colocados en un ambiente hip�xico durante hasta 2 semanas.

 

Hidrogeles para suministrar ox�geno para el cart�lago

Los hidrogeles son polim�ricos, hidr�filos y tienen redes tridimensionales. Este tipo de material puede absorber grandes cantidades de agua o fluidos, adem�s de tener una excelente biocompatibilidad [27].

Las propiedades del hidrogel permiten ser aplicados en la biomedicina y la regeneraci�n de tejidos, uno de los problemas asociados a su uso fue la biodegradabilidad que presentaban los materiales polim�ricos siendo una dificultad en el pasado. Sin embargo, algunos pol�meros naturales y sint�ticos se han utilizado como base para construcciones que promueven la angiog�nesis en la ingenier�a de tejidos, como col�geno, gelatina, quitosano, seda y fibro�na, debido a la alta flexibilidad que presentan [28], mediante la hibridaci�n de los pol�meros sint�ticos y naturales se han logrado mejorar la propiedades f�sicas, qu�micas y mec�nicas demostrado ser mejores para la encapsulaci�n de c�lulas [16]

 

Pol�meros Naturales

Los pol�meros naturales son m�s baratos y a menudo imitan la matriz extracelular (ECM) proporcionan una mejor biocompatibilidad y adhesi�n con las c�lulas. Sin embargo, la variaci�n en la calidad de los pol�meros naturales y las porciones que se extraen de diferentes fuentes son obst�culos para estudiar la reproducibilidad [29]. Los hidrogeles naturales presentan limitaciones, pues no presentan fuertes propiedades mec�nicas y no pueden controlarse f�cilmente. Los andamios de ingenier�a utilizan materiales a base de prote�nas, como hialuronano, col�geno, gelatina y fibrina, porque presentan ventajas en entornos extracelulares [30], [31], el hialuronano puede proporcionar c�lulas en entornos tridimensionales muy similares a la matriz natural porque es un componente de la matriz extracelular[32].

La Gatta et al, fabricaron andamios a base de esponja sintetizados mediante reticulaci�n de �ster met�lico de lisina en diferentes cantidades y hialuronano para obtener materiales que se asemejan mucho a los elementos en entornos celulares fisiol�gicos. Los resultados demostraron que las propiedades de absorci�n de agua, mec�nicas, morfol�gicas y de estabilidad eran comparables o superiores a las de los armazones �nicamente de hialuronano, los condrocitos cultivados se mantuvieron durante 3 semanas, siendo estos hidrogeles prometedores para la reparaci�n del cart�lago [32].

El col�geno es otro material natural con propiedades sobresalientes, como baja antigenicidad, biodegradabilidad, biocompatibilidad y adaptaci�n celular, que permiten su uso com�n en biolog�a y medicina. La tasa de degradaci�n y la estabilidad mec�nica del col�geno natural son insuficientes para cumplir los requisitos de la ingenier�a de tejidos, esto hace que el col�geno necesite ser modificado y sus propiedades entrecruzadas [33], [34].

Zhenhui et al. Sintetizaron nanopart�culas de puntos de carbono (CD NP) biocompatibles conjugadas sobre col�geno a trav�s de un reticulante de producto natural (genipina) para preparar un hidrogel inyectable, la reticulaci�n aument� la rigidez del hidrogel, el m�dulo de compresi�n fue 21 veces mayor y la tasa de degradaci�n 39,3% menor que el col�geno puro, adem�s el hidrogel aument� la proliferaci�n en un 205,1% el d�a 21 [35]

La fibrina tambi�n es un material utilizado en biomateriales para la ingenier�a de tejidos. Se ha investigado como veh�culo celular y como sistema de administraci�n de f�rmacos terap�uticos. La fibrina requiere una mayor funcionalizaci�n para ser un sistema de inyecci�n de hidrogel vers�til utilizado en terapias de reparaci�n del cart�lago [36]. La gelatina es otro hidrogel que se utiliza actualmente como biomaterial con ventajas en su biocompatibilidad, biodegradabilidad y precio econ�mico, se extrae de un proceso de hidr�lisis de col�geno y tambi�n puede liberar agua de 5 a 10 veces su propio peso, a pesar de la versatilidad de la gelatina dentro de diferentes campos de biomateriales, tiene una estabilidad mec�nica y una durabilidad d�bil, esto hace que la gelatina necesite polimerizarse con grupos anh�drido para obtener hidrogeles de GelMA con cadenas reticuladas para un libre movimiento de las c�lulas dentro de la matriz, y mediante el uso de un fotoreticulante se mejoran las propiedades de degradaci�n [37].

 

Pol�meros sint�ticos

Los pol�meros sint�ticos presentan una flexibilidad de procesamiento aceptable y no tienen problemas inmunol�gicos en comparaci�n con los pol�meros naturales. [38]. La ingenier�a de tejidos de cart�lago ha utilizado una variedad de pol�meros sint�ticos, como �cido poliglic�lico (PGA), �cido polil�ctico (PLA), poli (etilenglicol) (PEG), poli (alcohol vin�lico) (PVA), polidioxanona e hidrogeles de gelatina metacriloilo (GelMA) [39][40], por las propiedades mec�nicas, porosidad, hinchaz�n y caracter�sticas similares al cart�lago natural [41]. Algunas propiedades de los pol�meros sint�ticos biodegradables se muestran en la Tabla 2.

 

Tabla 2: Propiedades de los pol�meros sint�ticos biodegradables para la ingenier�a de tejidos de cart�lago [39]

 

Hidrogeles de gelatina metacriloilo (GelMA)

GelMA se deriva de la gelatina (porcina o pescado) y presenta caracter�sticas importantes, como una menor inmunogenicidad que su precursor (col�geno desnaturalizado) (Mũnoz, Shih, & Lin, 2014). El �cido arginina-glicina-asp�rtico (RGD) es la parte bioactiva de la gelatina, que estimula la adhesi�n y el crecimiento de las c�lulas, y la matriz de metaloproteinasa (MMP) se utiliza para la remodelaci�n celular. La modificaci�n de la gelatina se obtiene cuando la gelatina reacciona con el anh�drido metacr�lico y se reticula �pticamente en presencia de fotoiniciadores [33], [42]. La figura 2, muestra la s�ntesis de hidrogeles GelMA.

 

Figura 2: S�ntesis y fabricaci�n de GelMA fotoreticulado. a) Se hizo reaccionar gelatina con anh�drido metacr�lico (MA) para introducir un grupo de sustituci�n metacrilo�lo en la amina reactiva y los grupos hidroxilo de los residuos de amino�cidos. b) GelMA fotoreticulado [43]

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La resistencia mec�nica, como la porosidad, la degradaci�n y la hinchaz�n son propiedades cr�ticas de los materiales de andamios utilizados para reparar el tejido del cart�lago. La resistencia mec�nica de los hidrogeles GelMA es esencial para mantener y permitir las c�lulas ser encapsuladas. Esta propiedad se puede ajustar cambiando el grado de sustituci�n del MA, el tiempo de fotoreticulaci�n y la concentraci�n de GelMA. La Tabla 3, muestra algunas de las principales variables para sintetizar hidrogeles.

Zhao et al. informaron que con un aumento de la concentraci�n de GelMA, la resistencia mec�nica aumenta, pero la hinchaz�n y la degradaci�n disminuyen [44]. Schuurman et al, comunicaron resultados similares en los que la relaci�n de hinchamiento efectiva depend�a de la radiaci�n de exposici�n UV, la tasa de hinchamiento de los hidrogeles disminuy� en un 60% durante 5 minutos de exposici�n, la hinchaz�n insignificante fue confirmada despu�s de al menos 25 minutos de exposici�n a los rayos UV y demostraron que los geles alcanzaron aproximadamente dos tercios de su m�dulo m�ximo despu�s de aproximadamente 10 minutos de exposici�n a los rayos UV [45].

Celikkin et al. informaron obtener una porosidad del 80 � 10% para los andamios de GelMA al 5% y la disminuci�n de la porosidad a 60 � 10% cuando la concentraci�n de GelMA se aument� al 10% p / v [46].

 

Variables regulables	Efectos en las propiedades mec�nicas	Typo de c�lulas	Resultados	Ref
Concentraci�n de GelMA	Alto m�dulo de compresi�n y bajo hinchamiento	C�lulas del estroma de la m�dula �sea (mBMSCs)	Al 10% (p/v) de hidrogeles de GelMA hay el 60 �10% de la porosidad con un promedio de tama�o de poro de 250�65 mm	(Nehar, et al.,2017)
Tiempo de foto exposici�n	La viabilidad de las c�lulas decrece cuando aumenta el tiempo de exposici�n (5�20 s)	C�lulas odontoblastos (OD21 c�lulas)	Viabilidad de las c�lulas decrece de 60% despu�s de 24h00 a 20 s de tiempo de fotoreticulaci�n.	(Monteiro, et al., 2018)
Grado de degradaci�n del metacrilato	Al incrementar el grado de sustituci�n en el GelMA, incrementa el m�dulo de young del hydrogel resultante.	C�lulas de cellosaurus (Huh-7.5 c�lulas)	Un alto grado de substituci�n de metacrilato promueve la extrusi�n de las c�lulas de 67,6-1,9 kPa a 94,9% y 14.8% de sustituci�n respectivamente.	�(Lee, et al., 2015)

Tabla 3: La s�ntesis de hidrogeles seg�n la caracter�stica deseable [42]

 

Conclusiones

Concluido el trabajo de revisi�n bibliogr�fica se evidencia que los materiales polim�ricos sint�ticos con caracter�sticas similares a la matriz extracelular nativa (MEC), como la porosidad, la biocompatibilidad y la biodegradabilidad, presentan ser una alternativa de las nuevas tecnolog�as basadas en la nanotecnolog�a para aplicaciones en regeneraci�n de tejidos. Las matrices pueden cargarse con nanopart�culas y actuar como biomateriales inteligentes liberadores de ox�geno, que responden a est�mulos externos para reparar el da�o tisular del cart�lago, mediante el crecimiento y la proliferaci�n celular, adem�s, estos materiales son buenos candidatos para ensayos in vitro e in vivo.

A�n se requieren m�s investigaciones sobre los biomateriales para la reparaci�n del cart�lago, sin embargo, el desarrollo de biomateriales inteligentes con liberaci�n controlada de ox�geno es una nueva tecnolog�a que ayudar� a la ingenier�a de tejidos, reemplazando t�cnicas convencionales que presentan limitaciones, como la falta de integraci�n con cart�lago sano, pocos nutrientes existentes y tejido fibroso formado en lugar de cart�lago hialino. Por lo tanto, los biopol�meros basados en gelatina de metacriloilo y recubiertos de nanopart�culas liberadoras de ox�geno en entornos de hipoxia podr�an generar suministros de ox�geno permitiendo la supervivencia de los condrocitos celulares y la proliferaci�n de los mismo, dando lugar a la regeneraci�n completa del cart�lago.

 

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