Dispositivos calentables basados en óxido de grafeno para aplicaciones biomédicas

Abstract

En el amplio campo de la ingeniería biomédica y la regeneración de tejidos, los biomateriales avanzados emergen como soluciones innovadoras para afrontar los actuales desafíos médicos. El desarrollo de estos biomateriales avanzados surge como resultado de la combinación del conocimiento en ciencia de materiales, biología, química y tecnologías de fabricación. Concretamente, los llamados biomateriales inteligentes se diseñan meticulosamente para interactuar de manera específica y controlada con el entorno biológico, revolucionando ya el panorama de la medicina personalizada. Lo que los distingue es su capacidad para responder de manera específica a diferentes estímulos, ya sea para liberar fármacos de forma controlada, promover la regeneración de tejidos o detectar y responder a cambios en la fisiología del paciente. En este contexto, el objetivo de este trabajo de investigación es el desarrollo, mediante impresión 3D, de nuevos dispositivos calentables que permitan generar hipertermia local a través de procesos fotoinducidos mediados por óxido de grafeno. Estos dispositivos se basan en andamios híbridos fabricados a partir de ácido poliláctico, hidroxiapatita y óxido de grafeno, que aportan diferentes funcionalidades al dispositivo. Así, utilizando el ácido poliláctico y la hidroxiapatita se genera una estructura tridimensional que replica la matriz extracelular y proporciona al sistema propiedades en el ámbito de la sustitución y reparación del tejido óseo. Mientras que el óxido de grafeno incorpora el proceso inteligente de estímulo-respuesta, ya que permitirá un calentamiento local, controlado y reversible. En una fase inicial, se procedió a caracterizar las nanoláminas de óxido de grafeno desde el punto de vista fisicoquímico y biológico. Los resultados confirman unas propiedades morfológicas, estructurales y elementales adecuadas para su aplicación en ingeniería de tejidos y fototerapia. En cuanto a los estudios biológicos in vitro, estos demostraron su biocompatibilidad en contacto con células MG63 durante 24 horas a concentraciones ≤ 0.25 mg/ml, mientras que para los ensayos in vivo con modelo pez cebra, el límite de concentración se encuentra en ≤ 0.1 mg/ml. Tras este estudio inicial se procedió a diseñar y fabricar andamios mediante impresión 3D basados en la combinación de PLA:CaP:GO. Los andamios obtenidos son estructuras porosas que presentan dimensiones dentro del rango óptimo recogido en la literatura, junto con una morfología irregular que promueve la adhesión y el crecimiento celular. En base a los resultados, se determinan como preferentes los andamios que contienen un 96.98 % p/p de PLA, 3% p/p de CaP y un máximo de 0.02% p/p de GO, garantizando la ausencia de toxicidad. Finalmente, se procedió a abordar el estudio sobre el comportamiento fototérmico de estos andamios, con el propósito de determinar su potencial aplicación como estructuras inteligentes en la generación de hipertermia a nivel local en tejido óseo. En primer lugar, se llevó a cabo una exhaustiva revisión bibliográfica para establecer las horquillas de estudio y determinar la dosis térmica de interés. Los resultados evidencian la excelente capacidad fototérmica de los andamios PLA:CaP:GO y se demuestra que los parámetros del proceso (concentración de GO, densidad de potencia aplicada, temperatura máxima alcanzada y tiempo de exposición) pueden ser controlados de forma eficiente y en un rango de interés biológico. Los ensayos biológicos demuestran que la metodología empleada permite la eliminación exitosa de células de osteosarcoma, mientras se preservó la integridad de las células sanas de tipo fibroblasto (L929), todo ello utilizando una dosis térmica que se encuentra dentro de los rangos consultados en la literatura.

No amplo campo da enxeñería biomédica e a rexeneración de tecidos, os biomateriais avanzados emerxen como solucións innovadoras para afrontar os actuais desafíos médicos. O desenvolvemento destes biomateriais avanzados xorde como resultado da combinación do coñecemento en ciencia de materiais, bioloxía, química e tecnoloxías de fabricación. Concretamente, os chamados biomateriais intelixentes deséñanse meticulosamente para interactuar de maneira específica e controlada coa contorna biolóxica e xa están revolucionando o panorama da medicina personalizada. O que os distingue é a súa capacidade para responder de maneira específica a diferentes estímulos, xa sexa para liberar fármacos de forma controlada, promover a rexeneración de tecidos, ou detectar e responder a cambios na fisioloxía do paciente. Neste contexto, o obxectivo deste traballo de investigación é o desenvolvemento, mediante impresión 3D, de novos dispositivos calentables que permitan xerar hipertermia local a través de procesos fotoinducidos mediados por óxido de grafeno. Estes dispositivos baséanse en estruturas híbridas fabricadas a partir de ácido poliláctico, hidroxiapatita e óxido de grafeno, os cales achegan diferentes funcionalidades ao dispositivo. Así, utilizando o ácido poliláctico e a hidroxiapatita xérase unha estrutura tridimensional que replica a matriz extracelular e proporciona ao sistema propiedades no ámbito da substitución e reparación do tecido óseo. Pola súa parte, o óxido de grafeno incorpora o proceso intelixente de estímulo-resposta, xa que permitirá un quecemento local, controlado e reversible. Nunha fase inicial, procedeuse a caracterizar as nanoláminas de óxido de grafeno desde o punto de vista fisicoquímico e biolóxico. Os resultados confirman unhas propiedades morfolóxicas, estruturais e elementais adecuadas para a súa aplicación en enxeñería de tecidos e fototerapia. En canto aos estudos biolóxicos in vitro, estes demostraron a súa biocompatibilidade en contacto con células MG63 durante 24 horas a concentracións ≤ 0.25 mg/ml, mentres que para os ensaios in vivo con modelo peixe cebra, o límite de concentración atópase en ≤ 0.1 mg/ml. Tras este estudo inicial procedeuse a deseñar e fabricar estadas mediante impresión 3D baseadas na combinación de PLA:CaP:GO. As estadas obtidas son estruturas porosas que presentan dimensións dentro do rango óptimo recolleito na literatura, xunto cunha morfoloxía irregular que promove a adhesión e o crecemento celular. En base aos resultados, determínanse como preferentes as estadas que conteñen un 96.98 % p/p de PLA, 3% p/p de CaP e un máximo de 0.02% p/p de GO, garantindo a ausencia de toxicidade. Finalmente, procedeuse a abordar o estudo sobre o comportamento fototérmico destas estadas, co propósito de determinar a súa potencial aplicación como estruturas intelixentes na xeración de hipertermia a nivel local en tecido óseo. En primeiro lugar, levouse a cabo unha exhaustiva revisión bibliográfica para establecer os rangos de estudo e determinar a dose térmica de interés. Os resultados evidencian a excelente capacidade fototérmica das estadas PLA:CaP:GO e demóstrase que os parámetros do proceso (concentración de GO, densidade de potencia aplicada, temperatura máxima alcanzada e tempo de exposición) poden ser controlados de forma eficiente e nun rango de interese biolóxico. Os ensaios biolóxicos demostran que a metodoloxía empregada permite a eliminación exitosa de células de osteosarcoma, mentres se preservou a integridade das células sas de tipo fibroblasto (L929), todo iso utilizando unha dose térmica que se atopa dentro dos rangos consultados na literatura.

In the broad field of biomedical engineering and tissue regeneration, advanced biomaterials are emerging as innovative solutions to address current medical challenges. The development of these advanced biomaterials is the result of a combination of knowledge in materials science, biology, chemistry, and manufacturing technologies. Specifically, so-called smart biomaterials are meticulously designed to interact with the biological environment in a specific and controlled way, already revolutionising the landscape of personalised medicine. What distinguishes them is their ability to respond specifically to different stimuli, whether to release drugs in a controlled manner, promote tissue regeneration, or detect and respond to changes in the patient's physiology. In this context, the aim of this research work is the development of new heatable devices by 3D printing that can generate local hyperthermia through photoinduced processes mediated by graphene oxide. These devices are based on hybrid scaffolds made from polylactic acid, hydroxyapatite and graphene oxide, which provide different functionalities to the device. Thus, using polylactic acid and hydroxyapatite, it is generated a three-dimensional structure that replicates the extracellular matrix and provides the system with properties in the field of bone tissue replacement and repair. Graphene oxide incorporates the smart stimulus-response process, as it will allow local, controlled and reversible heating. In an initial phase, the graphene oxide nanosheets were characterised from both physicochemical and biological point of view. The results confirm morphological, structural and elemental properties suitable for their application in tissue engineering and phototherapy. Regarding in vitro biological studies, these demonstrated its biocompatibility in contact with MG63 cells for 24 hours at concentrations ≤ 0.25 mg/ml, while for in vivo assays with a zebrafish model, the concentration limit is ≤ 0.1 mg/ml. Following this initial study, scaffolds were designed and manufactured via 3D printing based on the combination of PLA:CaP:GO .The obtained scaffolds are porous structures with dimensions within the optimal range reported in the literature, together with an irregular morphology that promotes cell adhesion and growth. Based on the results, scaffolds containing 96.98 % w/w PLA, 3% w/w CaP and a maximum of 0.02% w/w GO are determined to be preferable, guaranteeing the absence of toxicity. Finally, the study on the photothermal behaviour of these scaffolds was addressed in order to determine their potential application as smart structures in generating local hyperthermia for bone tissue. Firstly, an exhaustive literature review was carried out to establish the study ranges and determine the thermal dose of interest. The results demonstrate the excellent photothermal capacity of PLA:CaP:GO scaffolds and show that the process parameters (GO concentration, applied power density, maximum temperature reached and exposure time) can be efficiently controlled within a biological interest range. Biological assays demonstrate that the methodology employed allows the successful removal of osteosarcoma cells, while preserving the integrity of healthy fibroblast-like cells (L929), all using a thermal dose that is within the range of the literature.