Introducción: Caracterización de biomateriales a escala nanométrica
En medicina regenerativa e ingeniería biomédica, las características estructurales de los biomateriales a escala micro y nanométrica desempeñan un papel decisivo a la hora de determinar su rendimiento biológico. La adhesión celular, la proliferación y la integración tisular se ven fuertemente influidas por la morfología de la superficie, las propiedades mecánicas y la arquitectura del andamio (scaffold). Por consiguiente, las técnicas avanzadas de caracterización de biomateriales son esenciales para validar los nuevos materiales destinados a aplicaciones biomédicas.
Entre las numerosas tecnologías de fabricación utilizadas en la ingeniería de tejidos, el electrospinning se ha convertido en uno de los métodos más versátiles para producir andamios de nanofibras que se asemejan a la arquitectura fibrosa de la matriz extracelular (MEC). Los biomateriales obtenidos mediante electrospinning pueden proporcionar estructuras altamente porosas e interconectadas que favorecen las interacciones entre las células y el material, así como la regeneración tisular (Almine et al., 2010).
Para garantizar que los biomateriales electrohilados cumplan los requisitos para su uso biomédico, es necesario realizar análisis microscópicos detallados y caracterizaciones de las nanofibras. Técnicas como la microscopía electrónica de barrido (SEM) permiten a los investigadores estudiar la morfología de las fibras, su organización estructural y las características de su superficie con alta resolución.
Una iniciativa de investigación colaborativa en la que participan Skinomics GmbH, la Universidad Martín Lutero de Halle-Wittenberg y el Instituto Fraunhofer de Microestructura de Materiales y Sistemas (IMWS) está investigando actualmente materiales innovadores para apósitos de heridas basados en la tropoelastina humana. El objetivo de este proyecto es desarrollar biomateriales personalizados que combinen biocompatibilidad, biodegradabilidad, durabilidad y propiedades mecánicas comparables a las de la piel humana (Fraunhofer IMWS, 2024). En este contexto, se están utilizando técnicas avanzadas de microscopía del Fraunhofer IMWS para caracterizar la estructura y la morfología de los materiales basados en tropoelastina. Dicha caracterización es un paso fundamental para evaluar el potencial biomédico de los andamios basados en proteínas electrohiladas.
Nanofibras de tropoelastina para aplicaciones biomédicas e ingeniería de tejidos
¿Qué es la tropoelastina y por qué es importante en biomedicina?
La tropoelastina es el precursor soluble de la elastina, una proteína estructural que desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de la elasticidad y la resistencia de muchos tejidos del cuerpo humano. La elastina está presente en el sistema vascular, la piel y los pulmones, donde permite que los tejidos se estiren y recuperen su forma original (Wise, Mithieux y Weiss, 2009).
Durante los procesos biológicos, las moléculas de tropoelastina se agrupan y se reticulan para formar fibras de elastina. Estas fibras contribuyen a la estabilidad mecánica y a la elasticidad de los tejidos, lo que convierte a la elastina en un componente esencial de la matriz extracelular. La elastina es una de las proteínas más longevas del cuerpo humano, con una vida media que puede prolongarse durante décadas en tejidos con baja renovación celular (Mithieux, Wise y Weiss, 2012).
Según la descripción del proyecto del Fraunhofer IMWS, la elastina es química y enzimáticamente estable, biocompatible y sirve de inspiración para el diseño de materiales basados en la tropoelastina con un rendimiento mecánico duradero en entornos biológicos, dada su larga vida media en los tejidos nativos. Estas características han impulsado el desarrollo de biomateriales basados en la tropoelastina. Mediante el uso de la proteína precursora de la elastina, los investigadores pretenden crear materiales que reproduzcan las funciones mecánicas y biológicas de los tejidos nativos (Fraunhofer IMWS, 2024).
Como afirma el Dr. Christian Schmelzer, director del Departamento de Materiales Biológicos y Macromoleculares del Fraunhofer IMWS: «La elastina es extremadamente estable desde el punto de vista químico y enzimático, es biocompatible y no provoca rechazos inmunológicos cuando se utiliza como biomaterial en seres humanos. Por ello, queremos crear soluciones nuevas e innovadoras para el tratamiento de heridas complejas basadas en la tropoelastina humana» (Fraunhofer IMWS, 2024).
Otra razón para desarrollar materiales basados en la tropoelastina radica en las limitaciones de los biomateriales proteicos convencionales derivados de tejidos animales. Los materiales de origen animal pueden suponer riesgos de transmisión de patógenos o reacciones inmunitarias no deseadas. Además, ha aumentado la preocupación por los productos médicos de origen animal entre los pacientes y los profesionales sanitarios. El uso de tropoelastina recombinante de origen humano puede reducir dicha preocupación, al tiempo que mantiene propiedades mecánicas y biológicas favorables (Wise, Mithieux y Weiss, 2009).
Microestructura de un tejido no tejido de tropoelastina. Imagen: Fraunhofer IMWS
Electrospinning de nanofibras a base de tropoelastina
El electrospinning se utiliza ampliamente para fabricar biomateriales electrohilados con estructuras fibrosas a escala nanométrica que imitan la arquitectura de la matriz extracelular. La técnica consiste en aplicar un campo eléctrico de alta intensidad a una solución de polímeros o proteínas, lo que genera fibras ultrafinas que se depositan en forma de membranas no tejidas.
Se ha estudiado el electrospinning de tropoelastina como método para producir andamios proteicos porosos. Las investigaciones han demostrado que la morfología de las fibras de tropoelastina electrohiladas puede modularse variando los parámetros de hilado, como el caudal de suministro y la concentración inicial de proteína, y que los andamios electrohilados reticulados conservan la elasticidad y las propiedades de interacción celular inherentes al precursor de la tropoelastina (Wise, Mithieux y Weiss, 2009).
Los andamios electrohilados suelen presentar varias características que resultan ventajosas para aplicaciones biomédicas:
- Alta relación superficie-volumen
- Estructura fibrosa porosa
- Similitud estructural con las redes de la matriz extracelular
- Diámetro de la fibra ajustable y morfología del andamio
En el proyecto de investigación asociado a Fraunhofer, se están desarrollando materiales a base de tropoelastina como apósitos personalizados para el tratamiento de heridas, dirigidos específicamente al tratamiento de heridas crónicas y complejas. Estas afecciones suponen un gran reto para la asistencia sanitaria, especialmente en las poblaciones que envejecen. Las heridas crónicas, como las úlceras venosas, las úlceras de pierna y las úlceras de pie, suelen requerir un tratamiento a largo plazo y pueden afectar significativamente a la calidad de vida de los pacientes (Fraunhofer IMWS, 2024). Estas afecciones también conllevan unos costes sanitarios considerables. Las pruebas preclínicas descritas en la documentación del proyecto del Fraunhofer IMWS indican que el material a base de tropoelastina desarrollado en el marco de esta colaboración es un candidato prometedor para su uso como apósito en estos contextos. El material combina biocompatibilidad, biodegradabilidad, durabilidad y un comportamiento mecánico favorable.
Técnicas de microscopía para la caracterización de biomateriales electrohilados
Técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y de microscopía para la caracterización de nanofibras. El análisis de las propiedades estructurales de los biomateriales electrohilados requiere técnicas detalladas de caracterización de nanofibras capaces de resolver detalles a escala micro y nanométrica. Los métodos de microscopía son herramientas esenciales en la investigación de biomateriales para este fin.
Entre las técnicas que se utilizan habitualmente en este campo para analizar los andamios electrohilados se encuentran:
- Microscopía electrónica de barrido (SEM): proporciona imágenes de alta resolución de las redes de fibras, lo que permite evaluar la uniformidad de las fibras, la distribución de diámetros y la integridad estructural.
Microscopía electrónica de transmisión (TEM): permite estudiar la estructura interna de la fibra y sus características a escala nanométrica.
- Microscopía de fuerza atómica (AFM): se utiliza para evaluar la topografía superficial y las propiedades nanomecánicas de fibras individuales.
- Microscopía óptica: utilizada para la evaluación morfológica preliminar y el análisis de la organización a nivel de la estructura.
La microscopía electrónica de barrido es un método analítico fundamental para evaluar los andamios basados en proteínas obtenidos por electrospinning, ya que permite visualizar con alta resolución la topografía de las nanofibras. Mediante el análisis morfométrico basado en SEM, se pueden cuantificar parámetros críticos —como la distribución del diámetro de las fibras, la uniformidad y la arquitectura general—, lo que proporciona información esencial sobre el comportamiento de los materiales en entornos biológicos.
Investigación del Fraunhofer IMWS sobre materiales similares a la elastina
El Instituto Fraunhofer de Microestructura de Materiales y Sistemas (IMWS) está especializado en la caracterización estructural de materiales avanzados. En el marco del proyecto de investigación sobre la tropoelastina, el instituto utiliza técnicas de microscopía para analizar la morfología y las propiedades estructurales de los biomateriales desarrollados (Fraunhofer IMWS, 2024).
Al combinar el electrospinning con una caracterización microestructural detallada, el equipo de investigación puede evaluar cómo el procesamiento de los materiales a base de tropoelastina influye en sus propiedades estructurales y mecánicas finales. Estos análisis aportan información sobre aspectos clave tales como:
- Morfología y organización estructural de las fibras
- Scaffold architecture and fiber distribution
- Surface morphology of the nanofibers
- Posibles relaciones entre la microestructura y el comportamiento del material
Tejido no tejido electrohilado de tropoelastina producida mediante biotecnología. Imagen: Fraunhofer IMWS.
Propiedades del material del apósito para heridas a base de tropoelastina
El proyecto colaborativo tiene como objetivo crear apósitos personalizados para heridas basados en biomateriales de tropoelastina. Según la descripción del proyecto del Fraunhofer IMWS, el material desarrollado presenta una combinación de propiedades que resultan especialmente relevantes para aplicaciones en el cuidado de heridas (Fraunhofer IMWS, 2024):
- Biocompatibilidad
- Biodegradabilidad
- Propiedades mecánicas comparables a las de la piel humana en evaluaciones preclínicas
- Durabilidad adecuada para uso biomédico
Estas características son esenciales para los materiales de apósitos destinados a favorecer la regeneración tisular, al tiempo que mantienen la compatibilidad mecánica con el tejido circundante. Un aspecto importante que se destaca en la documentación del proyecto es la similitud entre las propiedades mecánicas del material a base de tropoelastina y las de la piel humana, una propiedad que puede atribuirse al papel de la elastina a la hora de conferir elasticidad y resistencia a la piel (Wise, Mithieux y Weiss, 2009). La caracterización microscópica es fundamental para evaluar estas propiedades estructurales. Mediante el análisis de la morfología de las nanofibras y la arquitectura del andamio, los investigadores pueden evaluar si la estructura del material es compatible con la función biomédica prevista. Se espera que los resultados detallados de la caracterización del proyecto del Fraunhofer IMWS se publiquen en revistas revisadas por pares a medida que avance el proyecto.
Implicaciones para la medicina regenerativa y el desarrollo de dispositivos biomédicos
El tratamiento de las heridas crónicas y complejas supone un importante reto médico, especialmente en las poblaciones de edad avanzada. Afecciones como las úlceras venosas y las úlceras en los pies suelen requerir cuidados a largo plazo y pueden dar lugar a complicaciones graves si no se tratan de forma eficaz (Fraunhofer IMWS, 2024).
Por ello, se están investigando activamente biomateriales innovadores para mejorar los resultados en la cicatrización de heridas. Los materiales que combinan biocompatibilidad, compatibilidad mecánica con los tejidos circundantes y similitud estructural con la MEC natural resultan especialmente prometedores. Los biomateriales basados en la tropoelastina representan uno de estos enfoques: dado que la tropoelastina es el monómero de la elastina, los materiales derivados de ella pueden reproducir características estructurales y mecánicas relevantes para la piel y otros tejidos elásticos (Almine et al., 2010).
El uso de materiales proteicos recombinantes de origen humano también resuelve las preocupaciones asociadas a los biomateriales de origen animal, incluidos los posibles riesgos de infección y las respuestas inmunitarias. Se trata de una ventaja reconocida en el desarrollo de biomateriales proteicos de última generación para uso clínico (Wise, Mithieux y Weiss, 2009).
La integración de las tecnologías de electrospinning con la caracterización avanzada de biomateriales permite a los investigadores estudiar estos materiales de forma sistemática. Mediante microscopía de alta resolución y análisis estructural, los investigadores pueden evaluar si los andamios de tropoelastina obtenidos por electrospinning presentan las propiedades morfológicas y mecánicas necesarias para aplicaciones biomédicas.
Estos enfoques interdisciplinarios —que combinan la ciencia de los biomateriales, la fabricación de nanofibras y el análisis microscópico— son fundamentales para el desarrollo de biomateriales de última generación destinados a la medicina regenerativa y al tratamiento de heridas.
Conclusión
El desarrollo de apósitos personalizados para heridas basados en la tropoelastina humana constituye una línea de investigación importante y con base científica en el campo de los biomateriales. Aprovechando las propiedades de este precursor soluble de la elastina, los investigadores pretenden crear biomateriales que reproduzcan la elasticidad y la resistencia del tejido cutáneo natural.
El proyecto de colaboración en el que participan Skinomics GmbH, la Universidad Martín Lutero de Halle-Wittenberg y el Fraunhofer IMWS pone de relieve la importancia de combinar el diseño de biomateriales con la caracterización estructural avanzada. Análisis microscópico
desempeña un papel fundamental en la comprensión de la morfología de las fibras y la arquitectura del andamio de los materiales de tropoelastina electrohilados, garantizando que cumplan los requisitos para aplicaciones biomédicas.
Los continuos avances en la caracterización y la fabricación de materiales basados en la tropoelastina podrían transformar el tratamiento de las heridas que no cicatrizan, ofreciendo una base biomimética para aplicaciones innovadoras en ingeniería de tejidos.
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Referencias
Almine, J. F., Bax, D. V., Mithieux, S. M., Nivison-Smith, L., Rnjak, J., Waterhouse, A., Wise, S. G., & Weiss, A. S. (2010). Elastin-based materials. Chemical Society Reviews, 39(9), 3371–3379. https://doi.org/10.1039/b919452p
Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems IMWS. (2024). Cuidado innovador de las heridas: apósitos personalizados fabricados con tropoelastina [Comunicación del proyecto]. Fraunhofer IMWS. https://www.imws.fraunhofer.de
Mithieux, S. M., Wise, S. G., & Weiss, A. S. (2012). Tropoelastin – a multifaceted naturally smart material. Advanced Drug Delivery Reviews, 65(4), 421–428. https://doi.org/10.1016/j.addr.2012.06.009
Wise, S. G., & Weiss, A. S. (2009). Tropoelastin. International Journal of Biochemistry & Cell Biology, 41(3), 494–497. https://doi.org/10.1016/j.biocel.2008.03.017
Wise, S. G., Mithieux, S. M., & Weiss, A. S. (2009). Engineered tropoelastin and elastin-based biomaterials. Advances in Protein Chemistry and Structural Biology, 78, 1–24. https://doi.org/10.1016/S1876-1623(08)78001-5
Blit, P. H., Battiston, K. G., Yang, M., Paul Santerre, J., & Woodhouse, K. A. (2012). Electrospun elastin-like polypeptide enriched polyurethanes and their interactions with vascular smooth muscle cells. Acta Biomaterialia, 8(7), 2493–2503. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.03.032
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