Artículos de Revisión

POTENCIAL USO DE NANOMATERIALES COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA) EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: UNA REVISIÓN

POTENTIAL USE OF NANOMATERIALS COMBINED WITH POLYLACTIC ACID (PLA) IN ORTHOPEDIC PROSTHESES: A REVIEW

Campaña G, Fabricio; Uquillas S., Jorge; Villamarín B., Estefanía; Yánez-Jácome, Gabriela; Romero-Estévez, David; Pilaquinga F., Fernanda

Fabricio Campaña G

fgcampana.mdin@uisek.edu.ec

Universidad Internacional SEK Ecuador

Jorge Uquillas S.

jpuquillas.mdin@uisek.edu.ec

Universidad Internacional SEK Ecuador

Estefanía Villamarín B.

jevillamarin.mdin@uisek.edu.ec

Universidad Internacional SEK Ecuador

Gabriela Yánez-Jácome

gsyanez@puce.edu.ec

Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Ecuador

David Romero-Estévez

dfromero@puce.edu.ec

Pontificia Universidad Católica del Ecuador Ecuador

Fernanda Pilaquinga F.

maria.pilaquinga@uisek.edu.ec

Universidad Internacional SEK Ecuador

infoANALÍTICA

Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Ecuador

ISSN: 2602-8344

ISSN-e: 2477-8788

Periodicidad: Semestral

vol. 10(1), 2022

revistainfoanalitica@gmail.com

Recepción: 16 Noviembre 2020

Aprobación: 22 Diciembre 2021

URL: http://portal.amelica.org/ameli/journal/157/15729961572996002/

Modelo de publicación sin fines de lucro para conservar la naturaleza académica y abierta de la comunicación científica

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Resumen: Los materiales tradicionales derivados del petróleo como el polietileno y polipropileno son los más empleados en el campo de la protésica, sin embargo, la tendencia a la protección del medio ambiente amerita el análisis de nuevos materiales biodegradables y biocompatibles. El ácido poliláctico (PLA) es un polímero obtenido a partir de fuentes naturales, que se usa entre muchas aplicaciones en prótesis ortopédicas por su bajo costo. Con el desarrollo de la nanotecnología, pueden incorporarse nanopartículas de diferente naturaleza con el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas del PLA, sin embargo, existe información limitada. En este compendio se describen las propiedades físicas y químicas del PLA, así como las condiciones para su impresión en 3D. Se analizan varios nanomateriales tales como nanocelulosa, nanofibras de quitosano, nanotubos de carbono, grafeno, óxido de titanio, nanopartículas de óxido de hierro, nanopartículas de plata, nanopartículas de sílice mesoporosa, entre otras. Se describen estudios referentes sus propiedades químicas, mecánicas y biocompatibilidad. Como resultados se encontró que algunos nanomateriales han sido combinados con PLA, los estudios realizados para comparar sus propiedades mecánicas, muestran mejores resultados usando nanopartículas. Muy pocos estudios in vivo se han realizado, únicamente nanotubos de carbono, grafeno, óxido de titanio, nanopartículas de plata y nanopartículas de sílice mesoporosa. Se concluye que el uso de nanomateriales puede mejorar potencialmente las propiedades mecánicas del PLA, sin embargo, se requieren los estudios experimentales correspondientes, además que se deben usar modelos animales para evaluar su efecto a nivel tisular y determinar si son aptos para la combinación o recubrimiento de prótesis.

Palabras clave: ácido poliláctico, biocompatibilidad, nanomateriales, PLA, prótesis.

Abstract: Traditional petroleum-derived materials like polyethylene and polypropylene are the most commonly utilized in the field of prosthetics, but the movement toward environmental conservation necessitates the investigation of novel biocompatible and biodegradable materials. Due to its low cost, polylactic acid (PLA) is a polymer derived from natural sources that is utilized in a variety of applications, including orthopedic prosthesis. Nanoparticles of various natures can be added to improve the mechanical characteristics of PLA with the advancement of nanotechnology, although there is insufficient information. The physical and chemical characteristics of PLA, as well as the requirements for 3D printing with it, are described in this review. Nanocellulose, chitosan nanofibers, carbon nanotubes, graphene, titanium oxide, iron oxide nanoparticles, silver nanoparticles, and mesoporous silica nanoparticles are among the nanomaterials studied. The chemical, mechanical, and biocompatibility aspects of the material have been studied. As a result, some nanomaterials have been mixed with PLA, and studies comparing their mechanical characteristics reveal that nanoparticles produce better outcomes. Very few in vivo studies have been performed, only carbon nanotubes, graphene, titanium oxide, silver nanoparticles and mesoporous silica nanoparticles. The introduction of nanoparticles could possibly enhance the mechanical properties of PLA, but further research is needed, and animal models should be utilized to evaluate their effect at the tissue level and decide whether they are acceptable for combination or coating prostheses.

Keywords: biocompatibility, nanomaterials, PLA, polylactic acid, prosthetics.

INTRODUCCIÓN

Una prótesis es un dispositivo que sustituye a un miembro del cuerpo y realiza casi las mismas funciones originales. Las prótesis son elaboradas principalmente de polietileno (PE), polipropileno (PP) y poliuretano. Los reemplazos de cadera y rodilla incluyen porciones hechas de metal como acero inoxidable, titanio o cromo y aleaciones de cobalto (ArthritisFoundation, 2016). Actualmente, por la tendencia a la reducción de la contaminación ambiental, el uso prótesis a base de materiales obtenidos a partir de recursos renovables se ha convertido en una realidad.

Ácido poliláctico (PLA)

El ácido poliláctico o poliácido láctico (PLA) es un polímero clasificado como un poliéster alifático (Liao et al., 2019). Su unidad básica es el ácido láctico o ácido 2-hidroxipropanoico (Figura 1).

Figura 1.
Estructura química del PLA

Químicamente es un material inerte y se obtiene a partir de fibras naturales como maíz, trigo y arroz, por lo que es amigable con el ambiente, biodegradable, reciclable y compostable. La lactida, un monómero principal del PLA, presenta quiralidad (L-lactida o D-lactida), lo que determina su biodegradabilidad y propiedades mecánicas finales, así como, su estructura semicristalina o amorfa, respectivamente. En general, las formas D y L/D se degradan más rápidamente que la forma L. Su metabolismo permite que el organismo lo asimile por su conversión a dióxido de carbono (Sha et al., 2016). El PLA es utilizado en películas plásticas, botellas, envases para alimentos (Gregor et al., 2017; Nagarajan et al., 2016) y en aplicaciones médicas como en exoprótesis, hilos de sutura, por su alta resistencia, degradabilidad y biocompatibilidad (Casalini et al., 2019; Ghasemi et al., 2018). El tiempo estimado de degradación es de 6 a 12 meses (Kucharczyk et al., 2016) y su vida media en estado puro es de 30 semanas, sin embargo, esto puede modificarse en función de las necesidades clínicas, ajustando la composición molecular y la arquitectura física de la prótesis (da Silva et al., 2018).

El PLA es un polímero hidrolizable en agua, además, presenta actividad antibacterial (Liao et al., 2019; Parwe et al., 2014). Su semipermiabilidad al agua y al oxígeno lo hacen más suceptible a la degradación (da Silva et al., 2018). La difusión de agua en la estructura interpolimérica del PLA, degrada su microestructura interna, debido a la formación de cavidades (Göpferich, 1996). Su degradación también depende en mayor proporción del pH y la temperatura (L. Xu et al., 2011). Otros de los mecanismos que contribuyen a su degradación, son los procesos enzimáticos asociados con una infección o procesos de inflamación (da Silva et al., 2018).

La relación de la cantidad de PLA en el material, la presencia de otros materiales y su arquitectura molecular, están directamente relacionadas con sus compatibilidad química y propiedades mecánicas (Oksiuta et al., 2020). En la Tabla 1 se muestran las propiedades mecánicas del PLA.

Tabla 1.

Propiedades mecánicas del PLA (Vargas Pérez et al., 2015).

Propiedad | Unidad
Límite elástico | 49 MPa
Elongación | 2,5 %
Módulo Elástico | 3,2 GPa
Resistencia a la flexión | 70 MPa
Módulo de tensión | 3-4 GPa
Fuerza de tensión | 40-60 MPa

El PLA se contrae con el calor, por lo que es adecuado como material de envoltura retráctil.

Su punto de fusión es 154 ºC (Hou & Qu, 2019). Por su baja temperatura de transición vítrea, no es adecuado para retener líquidos calientes. Su manufactura no requiere sistemas complejos, generalmente se usa mediante moldeo por inyección, soplado, extrusión, termoformado, hilado de fibras o formación de película (Auras et al., 2004). Por su procesabilidad requiere un cuarto de energía, comparado con los polímeros obtenidos a base de petróleo como el PE o PP (Casalini et al., 2019).

Moldeo por inyección en 3D

Esta tecnología permite generar formas geométricas personalizadas. El proceso es relativamente sencillo, se requiere una impresora de 3D o de corte láser y el filamento de PLA. Se parte de un diseño en 3D, existe una variedad de programas para diseñar prótesis, sin embargo, el software Tinkercad (https://www.tinkercad.com) permite usar piezas gratuitas previamente diseñadas. El archivo del diseño se guarda en un pendrive en formato .obj, .stl, .glb o .svg y se conecta a la impresora 3D. Los parámetros de impresión se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2.

Parámetros de impresión 3D usando un filamento de PLA (Liu et al., 2017)

Parámetro | Valor
Temperatura del extrusor Te (°C) | 220
Temperatura de la placa de impresión Tb (°C) | 60
Velocidad durante extrusión Ve (mm/s) | 60
Velocidad sin extrusión Vt (mm/s) | 120
Distancia entre la punta de la boquilla y la capa de construcción d (mm) | 0,1
Proporción de llenado F (%) | 100

El proceso inicia con la introducción del PLA mediante una boquilla que se va calentando gradualmente, el material semi-fundido se irá depositando sobre la mesa de trabajo con una temperatura menor capa por capa de manera controlada (Ñauta Ñauta & Vergara Idrovo, 2017). Con esta técnica, no se generan desechos asociados a la producción, se considera sostenible y es un 90 % más rápido en la obtención de piezas, por lo que esta tecnología ha experimentado un crecimiento exponencial en los últimos años (Gómez Blázquez, 2019).

Ensayos de propiedades mecánicas de PLA

Dentro de las principales características mecánicas asociadas a la evaluación del grado de inalterabilidad del PLA (o mezcla), para establecer una durabilidad y biocompatibilidad del producto final, están la determinación de pérdida de masa, grado de cristalinidad, energía termogravimétrica y de activación, dureza y tracción, resistencia a fractura, y tensión para deformación, entre otras (Oksiuta et al., 2020; Qiu et al., 2016).

Determinación de pérdida de masa

La pérdida de masa de los materiales se determina mediante una comparación entre la diferencia del peso inicial y el peso final seco. Las muestras se colocan dentro de una incubadora a una temperatura de 37,0 ± 0,5 °C, simulando la temperatura corporal, durante 180 días (Oksiuta et al., 2020).

Grado de cristalinidad

La temperatura de cristalización, grado de cristalinidad, temperatura de fundición, entalpía de cristalización en frío y entalpía de fusión de los materiales utilizados en prótesis, se identifican mediante la calorimetría diferencial de barrido (CDB). El grado de cristalinidad se calcula mediante fórmulas matemáticas con los parámetros determinados en las curvas de CDB (Qiu et al., 2016).

Energía termogravimétrica y de activación

La termogravimetría se realiza mediante analizadores con incrementos de temperatura, donde los materiales son sometidos a descomposición térmica (Oksiuta et al., 2020). Por otra parte, la energía de activación se determina mediante el método Kissinger, en donde se estudia la calorimetría diferencial de barrido, análisis térmico diferencial y la termogravimetría derivativa (Vyazovkin, 2020). Este método se basa en la dependencia de la temperatura sobre el rango de calentamiento de los materiales.

Dureza y tracción

Los ensayos de dureza se realizan en base a la norma estándar ASTM D2240 (Cakir et al., 2018). El empleo de esta norma permite evaluar la dureza de varios tipos de durómetros (A, D y M). Para el caso del PLA, se emplea el durómetro tipo D (Cakir et al., 2018; Oksiuta et al., 2020).

El comportamiento mecánico de los materiales se determina mediante ensayos de tracción, a través del módulo de Young, límite elástico y alargamiento a la rotura (Farah et al., 2016). Estas propiedades específicas son importantes ya que determinan las dimensiones necesarias para una cierta resistencia mecánica o rigidez. Así mismo, la resistencia a la tracción, el módulo elástico y el alargamiento porcentual pueden ser determinados mediante la norma estándar ASTM D638 (Anand Kumar & Shivraj Narayan, 2019; Cakir et al., 2018).

Uso de nanomateriales con PLA como matriz polimérica

El PLA presenta baja resistencia mecánica, hidrolizabilidad y mala adherencia celular, por lo que podría causar no sólo fractura de la prótesis, sino infecciones en el organismo. Para su uso en exoprótesis se emplea un recubrimiento de silicona médica (Komoto et al., 2018). La nanotecnología permite manipular estructuras a nanoescala, creando materiales más resistentes utilizados en prótesis, implantes, ingeniería de tejidos, componentes de órganos artificiales, entre otros (Mediforum, 2016). Los estudios sobre el uso materiales para mejorar las propiedades mecánicas del PLA son limitados (Farah et al., 2016). En el presente estudio se analizan varios nanomateriales que se han empleado para mejorar las propiedades mecánicas de PLA y que pueden ser potencialmente usadas in vivo. Estudios de adaptación de la superficie de materiales han permitido desarrollar metodologías para anclar nanomateriales solos o en combinación con otros sobre superficies de prótesis, incorporando funcionalidades específicas adicionales que permiten superar las carencias del material en cuanto a la interacción con el medio, pero manteniendo las propiedades del material de partida (Petersen et al., 2014). La incorporación de los nanomateriales en estado sólido (polvo) sobre PLA, puede realizarse en disolución en cloroformo, éter de petróleo o etanol, se elimina el disolvente y se coloca sobre el molde del filamento para la impresión en 3D (aprox. 1,75 mm). La mezcla también puede realizarse por extrusión o inyección, con maquinaria usada para la elaboración de plásticos (Ziabką et al., 2018). A continuación de describen los nanomateriales usados en combinación con el PLA:

Nanocelulosa

La celulosa es un polímero estructural presente en la naturaleza, forma parte de las plantas confiriendo sus propiedades mecánicas (Dufresne, 2013). Es considerado el polímero renovable más abundante. La estructura de la celulosa está compuesta por unidades de β-1,4-anhydro-D-glucopiranosa. Los grupos hidroxilos tienen la habilidad de formar puentes de hidrógeno y esta característica otorga que la estructura sea fibrilar y semicristalina, lo que influye directamente en sus propiedades físicas y mecánicas (French, 2014). En la actualidad se han desarrollado nanomateriales a partir de la celulosa. Existen tres tipos de nanocelulosa, nanocristales de celulosa (CNC), nanofibrillas de celulosa (CNF) y celulosa bacteriana (BC) (Lin & Dufresne, 2014). A nivel industrial, existen varios proyectos con el objetivo de producir grandes cantidades de celulosa microfibrilada con características uniformes. En un estudio realizado por Tanpichai (Tanpichai & Wootthikanokkhan, 2016) usando una mezcla de fibras de bamboo y PLA, tanto el módulo de Young como la resistencia a la tensión mejoraron en un 42 % y 18 %, de 32,8 MPa a 38,7 MPa y de 2,4 a 3,4 GPa respectivamente.

Se ha reportado que materiales celulósicos pueden causar respuestas leves in vivo (Gumrah Dumanli, 2017), pues la celulosa no es degradada por el cuerpo humano ya que no posee enzimas celulósicas. Existen pocas investigaciones enfocadas a estudiar la biocompatibilidad de la nanocelulosa (Lin & Dufresne, 2014).

A nivel de nanopartículas existe un gran desafío para encontrar una dispersión homogénea en su matriz polimérica, debido a que los grupos hidroxilos de la superficie interactúan causando agregación, mientras menor es el tamaño de la partícula este fenómeno se magnifica, limitando el potencial del refuerzo mecánico (Dufresne, 2013). Pocas investigaciones se han encontrado acerca del uso de la nanocelulosa y PLA en prótesis, Zhou et al. (2013) fabricaron andamios de bio-nanocompósitos fibrosos electrohilados con CNCs utilizando anhídrido maleico injertado en PLA como matriz. Su biocompatibilidad fue analizada utilizando células madres mesenquimales derivadas de tejido adiposo humano. El nanomaterial demostró una estabilidad mejorada durante la degradación in vitro, no resultó ser tóxico para las células, las cuales fueron capaces de soportar la proliferación celular. Los autores concluyeron que este nanomaterial posee propiedades útiles para la ingeniería de tejidos óseos. Actualmente, se investiga el uso de materiales a base de nanoquitina-nanocelulosa, este material posee un alto rendimiento debido a su gran área superficial y a su tamaño pequeño (Kalarikkal et al., 2016). Se usó la línea celular de fibroblastos de un roedor para investigar su biocompatibilidad, mostró ser más susceptible a la bioadhesión a este nanomaterial y por tanto, a su proliferación en comparación a otros nanomateriales (Ee & Yau Li, 2021).

Quitosano

El quitosano es el polímero natural más abundante después de la celulosa (Roberts, 1992). La quitina se encuentra presente en los exoesqueletos de los crustáceos. Mediante la N-desacetilización, la quitina se puede transformar en quitosano (Hernández-Cocoletzi et al., 2009). La principal fuente de obtención es la industria camaronera, el aprovechamiento de este material está ayudando a disminuir millones de toneladas de desperdicios a nivel mundial. Químicamente, es un polímero policatiónico compuesto por unidades de β-1,4-D-glucosamina (El-Ghaouth et al., 2000). Las propiedades fisicoquímicas del quitosano como la biodegradabilidad, biocompatibilidad, ausencia de toxicidad y naturaleza antimicrobiana, han permitido que se lo emplee en distintas áreas como medicina, cosmética, farmacia, agricultura, alimentación, entre otras (Hernández-Cocoletzi et al., 2009). Las nanopartículas de quitosano son materiales coloidales con un tamaño entre 1 y 1000 nm, presentan alta estabilidad y reactividad, adsorción y facilidad de alcanzar los tejidos diana (Carmona et al., 2018). Durante las últimas décadas, se ha investigado sobre la biocompatibilidad del quitosano, demostrando que éste no es tóxico, y puede soportar una variedad de células para que se adhieran y proliferen (Sangeetha et al., 2019). Entre éstas se encuentran los osteoblastos, condrocitos, fibroblastos, células del núcleo pulposo, células neurales y endoteliales; además, ha sido comprobado su potencial para ser utilizado en hueso, cartílago, piel, disco intervertebral, ligamento y tendón, y en la ingeniería de tejidos nerviosos y vasculares (Jiang et al., 2014). Usando nanopartículas de quitosano con PLA como matriz, se observó un aumento de elasticidad medida a través del módulo de Young (Sonseca et al., 2019). Así mismo, los copolímeros a base de PLA/quitosano mostraron una mayor resistencia del material y un tiempo de degradación prolongado. Los estudios in vivo indicaron una resistencia suficiente del PLA durante 8-12 semanas después de la implantación. Estos hallazgos sugieren que el PLA puede usarse eficazmente para la fijación interna de huesos (DeStefano et al., 2020). La mayor parte de mezcla PLA/quitosano se emplea como transportadores de fármacos (Dev et al., 2010).

Nanotubos de carbono

Son láminas de capas de grafito enrolladas de manera concéntrica. Existen dos tipos de nanotubos de carbono (CNT), dependiendo de las capas de grafito que forman, nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) y nanotubos de carbono de pared sencilla (SWCNT) (Figura 2) (Andrade Guel et al., 2012). Fueron descubiertos por primera vez en 1991 y los primeros nanocompuestos poliméricos usando nanotubos de carbono se reportaron en 1994, los cuales poseen baja densidad, alta flexibilidad, resistencia, conductividad térmica (Moniruzzaman & Winey, 2006).

Los CNTs pueden llegar a ser más fuertes que el acero, más ligeros que el aluminio y con mayor conductividad que el cobre (Enyashin & Ivanovskii, 2007; Moniruzzaman & Winey, 2006).

Los híbridos formados entre biomoléculas (ADN, proteínas) con CNTs son utilizados en el campo biomédico (Dresselhaus et al., 2000).

Figura 2.
Representación nanotubos de carbono MWCNT y SWCNT (Andrade Guel et al., 2012).

La mayor parte de investigaciones acerca del uso de nanotubos de carbono en el área de la protésica, emplean hidroxiapatita (HA) como material de recubrimiento. En un estudio in vivo de CNTs y recubrimiento de HA en implantes de titanio incrustados en huesos de roedores, no se observó ningún efecto fisiológico adverso o citotoxicidad en tejidos y células óseas (Facca et al., 2011). La adición de CNTs indujo una mayor osteointegración como en comparación con HA. El módulo de elasticidad del hueso nuevo se comparó con el módulo de HA-CNTs/hueso para comprender la integridad mecánica del implante, siendo el modificado con CNTs más elástico. Pocos estudios analizan su combinación con PLA, pero no se reportan estudios in vivo. Flores-Cedillo y colaboradores usaron una matriz de PLA con CNTs de pared múltiple para simular un andamio para la regeneración ósea. No se realizaron ensayos biológicos, únicamente mecánicos, que mostraron una diferencia muy significativa en módulo de Young de 6000 MPa usando nanotubos y PLA (Ángel-lópez, 2017).

Los CNTs pueden promover un microambiente similar a la matriz extracelular, por lo que lo hace un potencial candidato para el desarrollo de andamios artificiales (Kalarikkal et al., 2016). La biocompatibilidad de los CNTs mejora cuando se los incorpora a una matriz de PLA, esto puede prometer un buen futuro en los sistemas biomédicos y en el desarrollo de bio-nanomateriales, además, se asegura que la preparación de estos nanocompuestos es apta para la industria pues son mucho más baratos y requieren de menos pasos para su fabricación (Akbari et al., 2015).

Grafeno

Es una lámina fina plana de carbono con una estructura de retícula hexagonal en 2D con hibridación sp2. Entre sus propiedades destaca un valor de módulo de Young elevado, gran superficie teórica, buena transparencia óptica y una excelente conductividad térmica (Huang et al., 2012). En la actualidad, se ha logrado combinar compuestos a base de grafeno con polímeros, biomateriales, nanoestructuras inorgánicas, cristales orgánicos y CNTs (Huang et al., 2012). Una base polimérica de PLA junto con grafeno aumentó hasta en un 160% en relación a la resistencia a la tracción (Kucharczyk et al., 2016).

El grafeno ha mostrado un potencial excepcional para usos biológicos, uno de éstos es la regeneración ósea. Diferentes tipos de células de osteoblastos han sido testeados con el grafeno para este tipo de aplicaciones. Además, se ha comprobado su biocompatibilidad, usando capas de grafeno y lamininas, puede promover la adhesión celular y la configuración celular pseudopodial (Kalarikkal et al., 2016). La biocompatibilidad puede verse afectada por los materiales de partida que se usen y los métodos que se apliquen para la producción de materiales a base de grafeno. Cuando estos materiales son incorporados al PLA por ejemplo, las propiedades mecánicas del polímero mejoran, siendo importante en el área de la protésica e implantes quirúrgicos. Cultivos de fibroblastos de embriones de roedor fueron testeados para evaluar la biocompatibilidad de películas compuestas por dos materiales de grafeno: óxido de grafeno y nanoplaquetas de grafeno incorporadas en PLA. Las películas de PLA/óxido de grafeno mostraron una mayor adhesión y proliferación celular. El óxido de grafeno en la superficie del material incrementó su hidrofilicidad, formando una morfología de superficie adecuada para la adsorción proteica y adhesión celular (Pinto et al., 2013).

Óxido de titanio

El óxido de titanio (TiO2) se presenta naturalmente como tres minerales conocidos como rutilo, anatasa y brookita. Es uno de los materiales más blancos que existen, es por esto que se lo ha utilizado en cosméticos como protector solar, además se lo incorpora en pinturas en materiales de construcción, fibras de tela y papel (Kasuga et al., 1998; Peters et al., 2014). La dispersión de la luz alcanza su máxima eficiencia en partículas de 200 a 300 nm de diámetro (Yan et al., 2010). Las películas delgadas de TiO2 con estructuras nanoporosas tienen gran superficie y alta reactividad (Gong et al., 2001). Las TiO2NPs no son tóxicas, por esta razón tienen grandes usos en recubrimientos antibacterianos (Amarnath et al., 2013). Varios estudios indican que un contenido mínimo de TiO2 en una matriz de PLA, incrementan la resistencia del material en relación a la fractura (Segura González, 2016). El TiO2 tiene notables propiedades físicas y químicas como la estabilidad, sensibilidad y selectividad, y biológicas como la biocompatibilidad, las cuales lo han convertido en un material adecuado para distintas aplicaciones biológicas (Kumar et al., 2018). Shebi & Lisa (2019) a partir del extracto de la planta Piper nigrum fabricaron TiO2NPs mediante el método de síntesis sol-gel, para añadirlas a PLA. Su biocompatibilidad fue evaluada usando las células de fibroblasto de roedor, demostrando que existe una elevada viabilidad celular debido a la presencia de partículas de TiO2 en las películas de PLA. Se concluyó que, debido al tamaño de los poros, se puede variar significativamente los comportamientos celulares como la adhesión, propagación o proliferación.

Dentro de la cirugía ortopédica y dental, los implantes a base de Ti son la primera opción por su alta biocompatibilidad. Sin embargo, se requiere modificar la superficie del implante, para obtener una fuerte osteointegración con el hueso. Las nanopartículas de TiO2 son un material de recubrimiento prometedor para la mejora de la actividad osteogénica alrededor de los implantes (Ahn et al., 2019).

Rajapakse y su grupo describieron una técnica novedosa, simple y de bajo costo para preparar metal de titanio recubierto de hidroxiapatita, a través del crecimiento de capas delgadas de nanopartículas de TiO2 autoformadas sobre superficies metálicas de titanio. Este estudio demostró ser altamente útil para preparar implantes ortopédicos de bajo costo a gran escala., sin riesgo citotóxico (Rajapakse et al., 2016) .

Nanopartículas de óxido de hierro

Las nanopartículas de óxido de hierro (Fe3O4) han captado mucha atención debido a sus propiedades superparamagnéticas, como la orientación magnética de fármacos, la resonancia magnética y los catalizadores (Zaitsev et al., 1999). La aplicación del suministro de fármacos es de particular interés para estas partículas por su biocompatibilidad. El uso de un campo magnético externo podría permitir el transporte de fármacos directamente a tejidos específicos (Chomoucka et al., 2010). Las nanopartículas de Fe3O4 tienen la capacidad de mejorar el contraste de resonancia magnética y mejorar los sistemas de administración de fármacos. También se ha informado que las nanopartículas magnéticas distribuidas en una matriz de polímero biodegradable, se liberan de manera controlada en relación al tiempo y ubicación (Wassel et al., 2007). Pocos estudios sobre el uso de nanopartículas de hierro con PLA en prótesis ha sido estudiada, su objetivo se basa en generar memoria reprogramable inducida magnéticamente en un derivado de PLA, con ácido poli-D,L-láctico (PDLLA), pudiendo aplicarse a prótesis no deformables (X. Zheng et al., 2009), o como agentes transportadores de fármacos usando PLA (Xiang et al., 2017). En la investigación de Zhou et al. (2013) se fabricaron y caracterizaron andamios de cristales de nanocelulosa (CNC) y anhídrido maleico (MAH) injertados en PLA, como matriz (MPLA/CNC). Esta investigación demostró por primera vez que la interacción de estos bio-compuestos puede promover la formación de microestructuras nanofibrosas de matriz extracelular, así como una mejora de las propiedades mecánicas y citocompatibilidad.

Nanopartículas de plata

Las nanopartículas de plata (AgNPs) poseen propiedades antibacterianas y baja toxicidad (Chen & Schluesener, 2008). Se han reportado estudios realizados en AgNPs utilizando diferentes polímeros; éstos incluyen la síntesis en polivinilpirrolidona (M. Zheng et al., 2001), alcohol polivinílico (Khanna et al., 2005), poliuretano hiperramificado (Lu et al., 2003) y poliacrilonitrilo (Zhang, 2001). Existe limitada información sobre el uso de AgNPs y PLA en prótesis y sus correspondientes ensayos in vivo. En un estudio de propiedades mecánicas entre AgNPs/quitosano y PLA, se obtuvo un rendimiento superior al usar nanopartículas en relación al Módulo de Young con un valor de 88 a 256 MPa. (Sonseca et al., 2019). Acerca de los ensayos realizados in vivo, usando una pequeña copa como implante en el músculo de un roedor, se ha analizado el efecto de AgNPs con otro tipo de polímero, acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) (Ziabką et al., 2018). Los estudios in vivo confirmaron la biocompatibilidad de los implantes, tanto el ABS puro como el modificado con nanopartículas, exhibieron una clara disminución en el área de granulación, misma que fue reemplazado por tejido muscular en regeneración. Se observó un área ligeramente más pequeña de tejido de granulación en los alrededores de la prótesis con AgNPs que con ABS puro. Sobre las propiedades mecánicas, la fuerza de tensión fue ligeramente mayor (54 MPa), en comparación a la prótesis a ABS puro con 52 MPa. En la investigación de Gherasim et al. (2020), fabricaron compósitos nanoestructurados recubiertos de PLA/AgNPs mediante la técnica de vaporación láser pulsada asistida por matriz. Se demostró que este material resultó ser biocompatible in vitro con células endoteliales humanas y que puede ser usado para aplicaciones biomédicas.

Nanopartículas de sílice mesoporosa

Las nanopartículas de sílice mesoporosa (MSN) son una de las nanopartículas inorgánicas mejor estudiadas para la administración de fármacos y agentes de contraste (C. Xu et al., 2019) Estas nanopartículas poseen algunas características únicas, como una alta capacidad de carga de fármaco debido a su gran área de superficie y alto volumen de poros, así como al tamaño de partículas y poros sintonizables. Para administrar agentes de ácido nucleico, la superficie de sílice se convierte para transportar cargas positivas. Las nanopartículas de sílice mesoporosa han sido empleadas con éxito como recubrimiento de prótesis e implantes dentales (Sangeetha et al., 2019). Sin embargo, en combinación con PLA, evidenció que la adición de nanopartículas genera una alteración en su degradación térmica, debido a la dependencia del tiempo, temperatura y estructura del polímero. La utilización de estas nanopartículas mejoró sus propiedades mecánicas presentando, una dependencia directa del contenido de sílice (Botia Prada & Orjuela Abril, 2016).

Referente a la biocompatibilidad, las NPs de sílice pueden ocasionar lesiones intracelulares causadas por la interacción entre éstas y los sistemas biológicos, los cuales incluyen peroxidación de la membrana, agotamiento del glutatión, disfunción mitocondrial y/o daño del ADN. Sin embargo, todos estos sucesos están relacionados al tipo de la célula, a las características de las NPs o en la forma como ellas interactúan. Las características son tamaños a nanoescala, estructuras mesoporosas, área superficial, volúmenes largos del poro. Las nanopartículas de sílice no han mostrado citotoxicidad en muchos sistemas biológicos con las adecuadas características y correctas dosis. Existe un amplio rango por investigar sobre la biocompatibilidad de estas nanopartículas (Asefa & Tao, 2012).

Otros tipos de nanomateriales

Las nanopartículas de sepiolitas en una matriz de PLA, lograron disminuir los efectos de degradación del polímero al reducir la movilidad de sus cadenas por miscibilidad (Velasco Nieto, 2016).

Por otro lado, las nanopartículas de colágeno pueden ser utilizadas en combinación con componentes matriz como PLA, con el objetivo de mejorar la proliferación y el crecimiento vascular proporcionando un sustrato para la regeneración epidérmica. Las mallas poliméricas sintéticas demuestran buena biocompatibilidad, altas propiedades mecánicas y son de fácil manejo. Sin embargo, los andamios de polímeros sintéticos tienen problemas de hidrofobicidad superficial y pérdida de células sembradas (Colorado et al., 2013).

La biocompatibilidad y la biodegradabilidad del colágeno han aportado sin duda un gran potencial hacia el campo de la ingeniería de tejidos. Geles nanofibrilares de colágeno fueron preparados para apoyar la unión de células neuronales y para la reparación del cerebro; sustitutos de la piel basados en el cultivo de células sobre andamios 3D de colágeno actualmente, son comercializados. El colágeno ha resultado ser biocompatible para la mayoría de tejidos como huesos, tendones, vasos sanguíneos, piel, córnea, entre otros. Además, éste estimula el crecimiento celular y modifica la morfología, migración, adhesión y diferenciación celular (Kalarikkal et al., 2016).

CONCLUSIÓN

Aunque el uso de PLA en el área de la protésica es común, por su baja resistencia mecánica, es necesario el estudio para poder mejorarla. En la revisión bibliográfica realizada se citaron varios tipos de nanomateriales, de diferente naturaleza, algunos de ellos se han ensayado con PLA a nivel macro y muy pocos en escala nanométrica. En los estudios de las propiedades mecánicas, los nanotubos de carbono y grafeno se presentan como una alternativa, sin embargo, los estudios de biocompatibilidad son aún deficientes. Acerca de los estudios in vivo, sobre nanotubos de carbono, grafeno, óxido de titanio, nanopartículas de plata y nanopartículas de sílice mesoporosa existe poca información. Como anclaje para las nanopartículas se sugiere el material biocompatible hidroxiapatita, por el número de estudios que respaldan su uso. Como potencial biomaterial de recubrimiento se recomiendan a las nanopartículas de colágeno, por la compatibilidad a nivel tisular.

Este estudio fue realizado como proyecto de la asignatura de Nanotecnologías y Materiales Funcionales para Diseño de la Maestría en Diseño Industrial y de Procesos de la Universidad Internacional SEK del Ecuador en el año 2020. Los autores agradecen al Dr. Alberto Larrea, director del Proyecto Jubilous 3D de la Pontificia Universidad Católica del Ecuador.

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Notas

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3 Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Escuela de Ciencias Químicas, Quito, Ecuador (mfpilaquingaf@puce.edu.ec)