La tecnología de electrospinning se ha revelado como una solución revolucionaria en el campo de la filtración, ofreciendo enfoques innovadores para purificar el aire, el agua y los gases. Entre sus avances, el desarrollo de membranas de filtración de nanofibras obtenidas por electrospinning ha mejorado notablemente la eficacia de la filtración al ofrecer una porosidad superior y una superficie elevada. Este artículo explora los últimos avances de la tecnología de electrospinning y su impacto transformador en diversos sistemas de filtración.
La versatilidad de las nanofibras en filtración
El electrospinning, una técnica versátil para producir fibras ultrafinas, ha revolucionado el panorama de la ciencia de los materiales, especialmente en aplicaciones de filtración. El uso de fibras en filtración ha suscitado un gran interés por su mayor eficacia. Entre estos avances, las nanofibras electrospun para aplicaciones de filtración de aire destacan como una solución prometedora, ya que ofrecen un rendimiento superior en la captura de partículas suspendidas en el aire. Al aprovechar las fuerzas electrostáticas, este proceso crea nanofibras con propiedades excepcionales, lo que las hace ideales para una amplia gama de necesidades de filtración.
Principales ventajas de las nanofibras
Las características únicas de las nanofibras obtenidas por electrospinning las hacen excepcionalmente adecuadas para diversas aplicaciones de filtración:
Tamaño de fibra controlable
El ajuste del tamaño de las fibras es una consideración crítica en las aplicaciones de filtración. Las fibras más pequeñas, normalmente de unos cientos de nanómetros, son especialmente importantes porque ofrecen una mayor eficacia de filtración. Su reducido tamaño les permite capturar partículas y contaminantes más finos, mejorando el rendimiento global del sistema de filtración. Esta capacidad de producir fibras ultrafinas es uno de los puntos fuertes del electrospinning.
Tamaño de poro controlable
El electrospinning permite ajustar con precisión el tamaño de los poros, lo que posibilita la creación de filtros adaptados a requisitos de filtración específicos.
Superficie elevada
La mayor superficie de las nanofibras mejora su capacidad para capturar partículas y contaminantes.
Estructura ligera
Nanofiber-based filters are significantly lighter than traditional filtration materials, reducing energy consumption in filtration systems.
Nanofibras y nanopartículas de diferentes tamaños.
Aplicaciones en todos los ámbitos de la filtración
Las nanofibras han revolucionado la tecnología de filtración en diversos ámbitos gracias a sus propiedades únicas, como su elevada relación superficie-volumen, el tamaño controlable de las fibras y los poros y su estructura ligera. Aunque la filtración de aire, agua y gas son aplicaciones destacadas, estas nanofibras también se han utilizado en:
Filtración de gases
En la purificación del aire, la membrana de filtración con nanofibras demuestra una notable eficacia en la captura de partículas, incluidas las PM2,5 y PM10. Estos filtros están transformando los sistemas de limpieza del aire tanto residenciales como industriales.
Electrospun nanofibers for air filtration applications
Un caso de éxito relacionado con la filtración de aire son las mascarillas comercializadas por PROVEIL® y fabricadas con nuestro equipo Fluidnatek. Estas mascarillas incorporan un filtro de nanofibras que proporciona una filtración mecánica y no electrostática. Esto significa que son más seguras, ofrecen una mejor transpirabilidad y no se deterioran con el paso del tiempo. Las nanofibras electrohiladas para aplicaciones de filtración de aire desempeñan un papel crucial en estas mascarillas, ya que mejoran su eficacia de filtración y su fiabilidad. Las mascarillas Proveil, que utilizan nanofibras electrospun, alcanzan un grado de filtración FFP2, lo que garantiza que proporcionan una protección eficaz al filtrar al menos el 94% de las partículas suspendidas en el aire, de tamaño igual o superior a 0,3 micras. PROVEIL nace como solución para la pandemia de 2019 con las primeras mascarillas de nanofibras y filtro virucida del mercado. Son las únicas mascarillas desarrolladas con tecnología del CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas).
Cuentan con un filtro de nanofibras que filtra mecánicamente, no electrostáticamente. Esto significa que es más segura, respira mejor y no se deteriora con el tiempo. Incorporan un componente viricida que inactiva el COVID en menos de 2H.
Mascarilla con filtro de nanofibras.
Purificación del agua
Las nanofibras sobresalen en aplicaciones de tratamiento del agua al eliminar eficazmente los contaminantes y garantizar el suministro de agua limpia. Entre sus diversas aplicaciones, las fibras para filtración de agua destacan por su capacidad para mejorar la eficacia de la filtración. Las nanofibras para filtrar agua son especialmente apreciadas por su elevada superficie y porosidad, que las hacen perfectas en la captura de partículas finas y contaminantes, mejorando en última instancia la calidad general del agua tratada.
Filtración de gases
El uso de nanofibras electrospun en la filtración de gases es eficaz para atrapar diversos contaminantes gaseosos. Por ejemplo, la investigación destaca el potencial de una membrana de filtración nanofibrosa electrospun para capturar CO2, por ejemplo en aplicaciones como los sistemas de carbonatación de bebidas.
Separación de agua y aceite
Las membranas de nanofibras electrohiladas han demostrado ser prometedoras para la separación de agua y aceite. Estas membranas pueden diseñarse con propiedades superficiales específicas para permitir selectivamente el paso del agua y repeler el aceite, o viceversa.
Separación de iones metálicos
El uso de fibras electrospun en filtración ha suscitado gran interés debido a su eficacia en diversas aplicaciones. Las nanofibras electrospun funcionalizadas pueden capturar y eliminar selectivamente iones metálicos de las soluciones, lo que resulta especialmente útil en el tratamiento de aguas residuales y la recuperación de metales valiosos.
Las membranas de nanofibras han demostrado ser prometedoras en la separación de agua/aceite, la separación de iones metálicos y la separación de sales.
Separación de sales/Desalinización
Se están estudiando membranas de nanofibras electrohiladas para procesos de desalinización. Su diseño puede separar eficazmente la sal del agua, ofreciendo una alternativa prometedora a los métodos tradicionales.
Planta desalinizadora.
Filtración antimicrobiana
Las nanofibras que contienen agentes antimicrobianos o funcionalizadas con propiedades antimicrobianas inherentes son eficaces para crear filtros que no sólo capturan, sino que también neutralizan los microorganismos nocivos.
Eficacia de filtración de medios filtrantes que contienen diferentes pesos areales de NF frente al tamaño de las partículas cuando se prueban de acuerdo con diferentes normas internacionales: (A) ASTM F3502 y (B) ASTM F2299.
Filtración catalítica
Las membranas de filtración basadas en nanofibras que incorporan materiales catalíticos facilitan las reacciones químicas para descomponer o transformar las sustancias nocivas, lo que las convierte en filtros de doble uso con una eficacia mejorada.
Filtración biológica
Las nanofibras también se están desarrollando para aplicaciones biológicas, como la filtración de sangre o la separación de biomoléculas. El uso de fibras en la filtración biológica demuestra su versatilidad, ampliando sus capacidades más allá de los sistemas de filtración tradicionales.
Mecanismos de filtración asociados a los filtros de nanofibras.
Estas aplicaciones muestran la versatilidad de las nanofibras en la tecnología de filtración, que va mucho más allá de la filtración tradicional de aire, agua y gas. La capacidad de adaptar las propiedades de las nanofibras e incorporar diversos materiales funcionales abre un amplio abanico de posibilidades para afrontar complejos retos de filtración en múltiples sectores.
Tecnologías avanzadas de filtración
Nanofibras multiestructuradas
Uno de los avances más prometedores es la creación de nanofibras electrohiladas multiestructuradas. La creación de nanofibras electrospun multiestructuradas -combinando diferentes morfologías y composiciones de fibras- ofrece un rendimiento de filtración superior en diversos medios.
Nanofibras funcionalizadas
La funcionalización con grupos químicos específicos o nanopartículas mejora la capacidad de las nanofibras para capturar y neutralizar contaminantes nocivos, como compuestos orgánicos volátiles (COV) y patógenos.
Captura de partículas mediante triboelectrificación utilizando etilcelulosa electrospun y esferas de PTFE.
Soluciones de filtración sostenibles
A medida que aumenta la preocupación por el medio ambiente, los investigadores se centran en el desarrollo de materiales de nanofibras sostenibles. Se están estudiando polímeros de origen biológico y materiales reciclados como alternativas a los polímeros sintéticos tradicionales con el fin de reducir el impacto ambiental de los sistemas de filtración.
Perspectivas y retos futuros de las nanofibras en filtración
Aunque las nanofibras han demostrado un inmenso potencial en diversas aplicaciones de filtración, quedan por delante varios retos y oportunidades:
Ecalado de la producción
Aumentar la producción para satisfacer la demanda industrial sigue siendo uno de los principales retos. Los investigadores están trabajando en técnicas de electrospinning de alto rendimiento para resolver este problema.
Durabilidad y longevidad
Mejorar la resistencia mecánica y la longevidad de los filtros de nanofibras es crucial para su viabilidad a largo plazo. Los avances en el diseño de materiales y los métodos de fabricación son fundamentales para superar este reto.
Sistemas de filtración inteligentes
La integración de nanofibras con tecnologías inteligentes presenta posibilidades apasionantes. En el horizonte se vislumbran innovaciones como filtros autolimpiables y sistemas de filtración adaptativos que responden a los cambios ambientales.
Conclusión
Las nanofibras representan un importante avance en la tecnología de filtración. Sus propiedades únicas y su versatilidad ofrecen soluciones a muchos de los retos a los que se enfrentan los métodos de filtración tradicionales. A medida que avanza la investigación, podemos anticipar aplicaciones innovadoras y mejoras en la eficacia de la filtración en diversos sectores. La inversión continua en ciencia de materiales y nanotecnología será decisiva para liberar todo el potencial de estas fibras ultrafinas, allanando el camino hacia soluciones de filtración más sostenibles y eficientes.
Referencias:
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Zhang, S., et al. (2019). Electrospun nanofibers for air filtration. In Electrospun Nanofibers (pp. 365-389). Woodhead Publishing.
Liu, C., et al. (2017). Transparent air filter for high-efficiency PM2.5 capture. Nature Communications, 8(1), 1-9.
Persano, L., et al. (2013). Industrial upscaling of electrospinning and applications of polymer nanofibers: A review. Macromolecular Materials and Engineering, 298(5), 504-520.
Durante décadas, los investigadores en ingeniería biomédica se han esforzado por desvelar los secretos de la ingeniería tisular y la regeneración de tejidos. El objetivo último: reparar o sustituir tejidos y órganos dañados, ofreciendo esperanza a millones de personas que sufren lesiones y enfermedades. Uno de los enfoques más prometedores en este campo consiste en la creación de matrices sembradas de células, estructuras que imitan el entorno natural de las células y guían su crecimiento y desarrollo.
La belleza de las matrices celulares
Imagina una estructura tridimensional diminuta, meticulosamente diseñada para favorecer el crecimiento de tejido nuevo. Eso es básicamente un soporte de cultivo celular. Estos andamiajes proporcionan soporte estructural para que las células se adhieran, proliferen y diferencien, formando finalmente tejido funcional. La belleza de este método radica en su potencial para crear implantes biocompatibles personalizados que se integran perfectamente en el organismo.
Pero, ¿cómo se fabrican estas estructuras y por qué son tan eficaces? La respuesta está en una combinación de ciencia de materiales avanzada, biología celular y técnicas de fabricación innovadoras.
Electrospinning: Una tecnología clave para la fabricación de estructuras
Entre los diversos métodos utilizados para crear tejidos moldeados, el electrospinning destaca como una técnica versátil y potente. Este proceso utiliza un campo eléctrico para estirar hilos cargados de soluciones poliméricas, creando nanofibras que forman una estructura tridimensional porosa. Los objetos resultantes se asemejan mucho a la matriz extracelular (MEC), el entorno natural que rodea a las células del organismo.
Ventajas del electrospinning en la ingeniería de tejidos
Las ventajas del electrospinning para la ingeniería biomédica de tejidos son numerosas:
Arquitectura regulable: El electrospinning permite un control preciso del diámetro, la porosidad y la alineación de las fibras, lo que posibilita la creación de matrices adaptadas a tipos de tejidos específicos.
Materiales versátiles: Se puede electrohilar una amplia gama de polímeros, tanto naturales como sintéticos, lo que permite seleccionar materiales con propiedades específicas comobiodegradabilidad, biocompatibilidad y resistencia mecánica.
Escalabilidad: El proceso de electrospinning puede ampliarse para la producción en masa, lo que lo convierte en una opción viable para aplicaciones clínicas.
Electrospinning de colágeno: Una elección natural
El colágeno, la proteína más abundante en el cuerpo humano, es una elección popular para las estructuras de electrospinning. Su biocompatibilidad inherente, su biodegradabilidad y su capacidad para favorecer la adhesión celular lo convierten en un material ideal para aplicaciones de ingeniería tisular. Por ello, las técnicas de sembrado celular por electrospinning de colágeno son objeto de un amplio estudio.
Aplicaciones de las estructuras de colágeno
Las matrices de colágeno pueden utilizarse para regenerar y reparar diferentes tejidos:
Piel: Las estructuras de colágeno pueden favorecer la cicatrización de heridas y reducir las cicatrices.
Hueso: Pueden guiar la formación de nuevo tejido óseo para la reparación de fracturas y la regeneración ósea.
Cartílago: Pueden favorecer el crecimiento de condrocitos (células formadoras de cartílago) para tratar la artrosis y otros defectos del cartílago.
Vasos sanguíneos: Los soportes de colágeno pueden utilizarse para crear injertos vasculares para cirugía de bypass y otras aplicaciones cardiovasculares.
Bioelectrospinning: Sembrado de células durante la formación de estructuras
Mientras que los métodos tradicionales consisten en sembrar células en andamiajes prefabricados, un enfoque más avanzado -conocido como siembra celular por bioelectrospinning- integra las células directamente en el proceso de electrospinning. Esta técnica consiste en suspender las células en la solución polimérica y electrospinning simultáneamente el polímero mientras encapsula las células dentro de las fibras.
Ventajas del bioelectrospinning
Los beneficios del bioelectrospinning son significativos:
Mayor viabilidad celular: El encapsulamiento de las células dentro de las fibras las protege de las duras condiciones durante el electrospinning, mejorando su tasa de supervivencia.
Distribución celular uniforme: El bioelectrospinning garantiza una distribución homogénea de las células por toda la estructura, lo que favorece la formación uniforme de tejido.
Mejora de las interacciones célula-matriz: La encapsulación directa permite un contacto íntimo entre las células y el material del soporte, mejorando la adhesión, la proliferación y la diferenciación.
Caracterización de la estructura 3DPCL-GelMA. (a) Imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) que muestra la sección transversal de las fibras de policaprolactona (PCL) electrospun fundidas, dispuestas en una red porosa. La barra de escala representa 30 µm. (b) Imagen SEM de un soporte de PCL-GelMA (PG) impreso en 3D y compuesto por 50 capas apiladas, en la que destaca su microestructura organizada. La barra de escala representa 200 µm. (e) Un andamio 3DPCL-GelMA con células co-cultivadas, ilustrando la fijación y distribución celular dentro de la estructura de la matriz. (f) Una matriz 3DPCL-GelMA después de retirar el componente de hidrogel, revelando la arquitectura fibrosa restante. Referencia: Kong et al., 2024.
Técnicas avanzadas de electrospinning
Los investigadores desarrollan continuamente nuevas técnicas de electrospinning para mejorar aún más las propiedades de las estructuras. Algunos enfoques avanzados son:
Electrospinning coaxial
Esta técnica utiliza dos agujas concéntricas para crear fibras con núcleo. Permite encapsular células o factores de crecimiento dentro de la estructura de la fibra central para su liberación controlada o su administración dirigida.
Escritura de electrospinning fundido (MEW)
MEW ofrece un control preciso sobre la deposición de polímero fundido. Esto permite crear estrcuturas tridimensionales altamente definidas con arquitectura y propiedades mecánicas controladas.
Combinación de electrospinning con electrospraying
Este método combina la impresión 3D con electrospinning para fabricar estructuras tisulares complejas, como parches vasculares o estructuras similares a órganos.
Estas técnicas avanzadas ofrecen un control sin precedentes sobre las propiedades de los soportes y el comportamiento celular, allanando el camino para terapias más eficaces en la regeneración tisular mediante ingeniería biomédica.
Ilustración de cortes transversales histológicos de estructuras sembradas con células después de diferentes periodos de cultivo: (A) Después de 1 día, mostrando la adhesión y distribución celular inicial (aumento: ×200). (B) A los 15 días, se observa una mayor proliferación celular e integración en el soporte (aumento: ×100). Barras de escala: 50 µm. [Braghirolli et al., 2015].
Aplicaciones y retos futuros
Aunque las matrices sembradas de células son muy prometedoras para la ingeniería tisular, aún quedan varios retos por superar:
Escalabilidad: Aumentar la producción manteniendo la calidad es fundamental para la traslación clínica.
Vascularización: La ingeniería de vasos sanguíneos funcionales dentro de los soportes es esencial para el suministro de nutrientes.
Respuesta inmunitaria: Minimizar las reacciones inmunitarias es vital para el éxito a largo plazo.
Futuros objetivos de investigación
Los futuros esfuerzos de investigación se centrarán en:
Desarrollar biomateriales con biocompatibilidad mejorada.
Incorporar moléculas bioactivas, como factores de crecimiento, a los soportes.
Diseñar arquitecturas de matrices más sofisticadas que imiten los tejidos nativos.
Promover estrategias de vascularización minimizando las respuestas inmunitarias.
Conclusión
Las matrices sembradas de células representan un avance revolucionario en ingeniería biomédica. Al combinar tecnologías innovadoras como la siembra celular por electrospinning de colágeno con técnicas de fabricación avanzadas como el bioelectrospinning o el electrospinning coaxial, los investigadores están ampliando las posibilidades de la medicina regenerativa. Con la innovación continua, estas tecnologías podrían revolucionar los tratamientos de lesiones y enfermedades, acercándonos a un futuro en el que los implantes de tejidos personalizados sean fácilmente accesibles.
References:
Author: Wee-Eong TEO
Ang H Y, Irvine S A, Avrahami R, Sarig U, Bronshtein T, Zussman E, Boey F Y C, Machluf M, Venkatraman. Characterization of a bioactive fiber scaffold with entrapped HUVECs in coaxial electrospun core-shell fiber. Biomatter 2014; 4: e28238. Ver
Braghirolli D I, Zamboni F, Acasigua G A X, Pranke P. Association of electrospinning with electrospraying: a strategy to produce 3D scaffolds with incorporated stem cells for use in tissue engineering. International Journal of Nanomedicine 2015; 10: 5159.
Erben J, Jirkovec R, Kalous T, Klicova M, Chvojka J. The Combination of Hydrogels with 3D Fibrous Scaffolds Based on Electrospinning and Meltblown Technology. Bioengineering. 2022; 9(11):660.
Kong X, Zhu D, Hu Y, Liu C, Zhang Y, Wu Y, Tan J, Luo Y, Chen J, Xu T, Zhu L. Melt electrowriting (MEW)-PCL composite Three-Dimensional exosome hydrogel scaffold for wound healing. Materials & Design 2024; 238: 112717.
Lee H, Kim G H. Enhanced cellular activities of polycaprolactone/alginate-based cell-laden hierarchical scaffolds for hard tissue engineering applications. Journal of Colloid and Interface Science 2014; 430: 315.
El papel de los biomateriales en el tratamiento de lesiones de nervios periféricos
La lesión de nervios periféricos (PNI, por sus siglas en inglés) sigue siendo un desafío médico significativo debido a su lento proceso de recuperación y resultados clínicos complejos. Cuando un nervio se daña, la denervación prolongada puede provocar atrofia muscular y una reducción en la actividad de las células de Schwann, ambas críticas para la regeneración axonal. Pero afortunadamente, han surgido enfoques innovadores, como el uso de implantes hechos de biomateriales, que se presentan como soluciones prometedoras para acelerar la recuperación de los nervios.
Aunque medicamentos como el ibuprofeno han mostrado potencial para promover la regeneración nerviosa gracias a sus propiedades antiinflamatorias, la administración sistémica a menudo provoca efectos secundarios no deseados. Para evitar esto, el electrospinning ha ganado terreno en el campo biomédico como método para administrar medicamentos directamente en la lesión mediante estructuras de soporte (scaffolds) basadas en polímeros. Recientemente, la Facultad de Farmacia de la University College London publicó un estudio en el que el equipo desarrolló materiales mediante electrospinning cargados con ibuprofeno, adecuados para la implantación quirúrgica en lesiones de nervios periféricos. Y para ello emplearon un equipo Fluidnatek LE-50 G2.
¿Qué es el electrospinning y por qué es ideal para la recuperación nerviosa?
El electrospinning es una técnica versátil que transforma soluciones poliméricas en fibras finas de escala nano- a micro- aplicando un campo eléctrico de alto voltaje. Estas fibras se recogen en mallas que imitan la matriz extracelular de los tejidos, lo que las convierte en candidatas ideales para aplicaciones biomédicas, especialmente en la reparación de nervios.
Las ventajas de los materiales electrospun incluyen:
Personalización: Se pueden ajustar propiedades físicas como la resistencia mecánica y las tasas de liberación de medicamentos.
Biocompatibilidad: Polímeros sintéticos como el policaprolactona (PCL) y el ácido poliláctico (PLA) son ampliamente utilizados debido a su compatibilidad con sistemas biológicos.
Liberación sostenida de medicamentos: Las fibras electrospun pueden encapsular medicamentos como el ibuprofeno, garantizando una liberación controlada y prolongada en el lugar de destino.
Para lesiones de nervios periféricos, las envolturas o implantes electrospun cargados con agentes terapéuticos mejoran significativamente el proceso de curación al proporcionar un tratamiento localizado, minimizando los efectos secundarios.
Electrospinning y administración de ibuprofeno para la recuperación nerviosa
Los avances recientes han demostrado el desarrollo exitoso de biomateriales electrospun cargados con ibuprofeno para lesiones de nervios periféricos. El ibuprofeno, un fármaco antiinflamatorio no esteroideo (AINE) ampliamente utilizado, mejora la regeneración nerviosa al inhibir las respuestas inflamatorias y promover el crecimiento de neuritas.
En este estudio innovador, los investigadores optimizaron el uso de envolturas nerviosas electrospun fabricadas con PCL, PLA y sus copolímeros. Los hallazgos subrayan el potencial de estos implantes basados en polímeros:
Propiedades optimizadas de las fibras: Se ajustaron los parámetros de electrospinning para producir fibras lisas y sin defectos, con diámetros variables. La incorporación de ibuprofeno en estas fibras permitió una liberación controlada y sostenida durante 21 días.
Manejo quirúrgico: Las evaluaciones de los usuarios destacaron la importancia de las propiedades mecánicas, siendo las mezclas PLA/PCL (70/30) las que demostraron mayor flexibilidad y resistencia, haciéndolas ideales para aplicaciones de envoltura nerviosa.
Rendimiento in vivo: En modelos animales, los materiales electrohilados cargados con ibuprofeno aceleraron la regeneración nerviosa. El recuento de axones en los nervios tratados fue significativamente mayor en comparación con los controles, confirmando el efecto terapéutico de la administración localizada de ibuprofeno.
Fotografías que muestran las etapas del procedimiento de implantación de material electrohilado en un modelo de aplastamiento del nervio ciático.
Selección de polímeros para electrospinning en implantes biomédicos
El éxito de los biomateriales electrospun depende en gran medida de la elección de los polímeros. Para las lesiones de nervios periféricos, los polímeros deben exhibir biocompatibilidad, biodegradabilidad y estabilidad mecánica. Los siguientes polímeros se emplean comúnmente:
Ácido poliláctico (PLA): Conocido por su lenta tasa de degradación, el PLA proporciona una estructura robusta pero puede ser frágil.
Policaprolactona (PCL): Ofrece excelente flexibilidad y resistencia, ideal para implantes que requieren maleabilidad.
Copolímeros PLA/PCL: Al combinar las fortalezas del PLA y el PCL, estos copolímeros logran el equilibrio deseado entre estabilidad mecánica y facilidad de manejo.
En el caso de implantes electrospun cargados con ibuprofeno, el PLA/PCL (70/30) se identificó como la formulación más adecuada debido a su manejo quirúrgico superior y perfil de liberación sostenida de medicamentos.
Resumen de las propiedades de la formulación. Las micrografías electrónicas de barrido (A) revelan fibras cilíndricas sin defectos visibles. Un histograma de diámetros de fibras (B) muestra una distribución unimodal para todas las formulaciones probadas. Los datos de liberación acumulativa de ibuprofeno (C) presentan una liberación inicial en estallido seguida de un período de liberación sostenida durante 21 días (Cada formulación fue probada por triplicado y los resultados se presentan como media ± SEM (n = 3)).
El futuro de los biomateriales electrospun en la reparación nerviosa
A medida que avanza la investigación en el campo biomédico, el electrospinning sigue demostrando un inmenso potencial para mejorar los resultados en lesiones nerviosas. Estas son las áreas clave de desarrollo futuro que se desprenden del estudio:
Fabricación a escala: Garantizar que los materiales electrospun puedan ser producidos en masa para uso clínico.
Carga avanzada de medicamentos: Incorporar múltiples agentes terapéuticos para efectos sinérgicos en la regeneración nerviosa.
Ensayos clínicos: Traducir los resultados prometedores obtenidos en estudios in vivo a aplicaciones humanas para validar la eficacia y seguridad de los biomateriales electrospun.
Conclusión
El uso de electrospinning en el campo biomédico ha revolucionado el desarrollo de implantes cargados con medicamentos para el tratamiento de lesiones en nervios periféricos. Aprovechando polímeros como el PLA y el PCL, los investigadores han creado biomateriales capaces de proporcionar un tratamiento sostenido y localizado, acelerando la regeneración nerviosa y la recuperación funcional.
Las fibras con ibuprofeno representan un avance significativo en las estrategias de recuperación nerviosa, ofreciendo una solución dirigida, eficaz y mínimamente invasiva. A medida que el sector sigue evolucionando, estos biomateriales innovadores tienen el potencial de transformar el tratamiento de las lesiones en nervios periféricos y mejorar los resultados para los pacientes.
Referencias
Karolina Dziemidowicz, Simon C. Kellaway, Owein Guillemot-Legris, Omar Matar, Rita Pereira Trindade, Victoria H. Roberton, Melissa L.D. Rayner, Gareth R. Williams, James B. Phillips,
Development of ibuprofen-loaded electrospun materials suitable for surgical implantation in peripheral nerve injury,
Biomaterials Advances,
Volume 154, 2023, 213623,
ISSN 2772-9508,
*Todas las imágenes de este artículo son propiedad de sus autores.
El electrospinning es una técnica de fabricación versátil y efectiva que permite la producción de fibras en el rango de los nanómetros y micrómetros a partir de disoluciones poliméricas. Este método ha ganado considerable atención en diversas industrias, incluida la cosmética (cada vez más electrospinning en cosmética es utilizado), debido a su capacidad para crear estructuras fibrosas con propiedades únicas y controladas a nivel nanométrico. En el sector cosmético, estas estructuras fibrosas se están aplicando en el desarrollo de una serie de productos que prometen revolucionar la manera de entender la cosmética: ese es el valor añadido que aporta el electrospinning en cosmética.
Principios del electrospinning
El electrospinning se basa en la aplicación de un alto voltaje a una disolución polimérica, compuesta por uno o varios polímeros disueltos en uno o varios disolventes, que es expulsada a través de una aguja fina. Este proceso genera una carga eléctrica en el líquido, que forma un chorro que se estira y se solidifica en fibras ultrafinas al viajar hacia un colector opuesto cargado mientras se evapora el disolvente. Las principales variables que afectan el proceso de electrospinning incluyen la viscosidad de la solución, la concentración del polímero, la tensión superficial, la conductividad y los parámetros de proceso como la diferencia de potencial entre aguja y colector, la velocidad de flujo, la temperatura y la humedad, y la distancia entre la aguja y el colector.
Ventajas del electrospinning en cosmética
Control de la estructura a nivel nanométrico La capacidad de producir fibras con diámetros en el rango de nanómetros a micrómetros ofrece una ventaja significativa en la formulación de productos cosméticos. Las fibras electroestiradas pueden imitar la estructura y función de la matriz extracelular de la piel, permitiendo una mejor interacción y biocompatibilidad.
Alta superficie específica Las fibras ultrafinas generadas mediante electrospinning tienen una alta relación superficie-volumen, lo que mejora la eficiencia en la entrega de ingredientes activos. En el caso particular de electrospinning en cosmética, esto es particularmente útil para productos como sueros y cremas antienvejecimiento, donde la penetración y liberación controlada de los ingredientes activos son cruciales.
Personalización y flexibilidad El electrospinning en cosmética permite la incorporación de una amplia variedad de ingredientes activos y excipientes en las fibras. La flexibilidad de esta técnica permite la creación de productos personalizados que pueden ser diseñados para abordar necesidades específicas de la piel, como hidratación, protección contra rayos UV o tratamientos antienvejecimiento.
Aplicaciones del electrospinning en cosmética
Mascarillas faciales
Las mascarillas faciales obtenidas por electrospun están revolucionando el mercado cosmético. Estas mascarillas están hechas de nanofibras que pueden cargarse con ingredientes activos como ácido hialurónico, colágeno, vitaminas y extractos botánicos. La estructura porosa de las fibras permite una mejor adherencia a la piel y una liberación sostenida de los ingredientes activos, mejorando la eficacia del tratamiento.
Parches transdérmicos
Los parches transdérmicos son una aplicación emergente del electrospinning en cosmética. Estos parches pueden diseñarse para liberar ingredientes activos de manera controlada a través de la piel. Los polímeros utilizados en el electrospinning pueden seleccionarse para proporcionar propiedades específicas, como biodegradabilidad y biocompatibilidad, lo que los hace ideales para aplicaciones cosméticas y dermatológicas.
Vehículos de entrega de ingredientes activos El electrospinning permite la creación de vehículos de entrega de ingredientes activos que pueden penetrar más profundamente en la piel y liberar sus componentes de manera controlada. Si analizamos las aplicaciones de electrospinning en cosmética, estos vehículos pueden cargarse con antioxidantes, péptidos, factores de crecimiento y otros ingredientes activos que mejoran la salud y apariencia de la piel.
Productos antienvejecimiento La capacidad del electrospinning para incorporar y liberar ingredientes activos de manera eficiente ha llevado al desarrollo de productos antienvejecimiento avanzados. Las fibras electroestiradas pueden cargarse con retinoides, péptidos y otros agentes antienvejecimiento que actúan a nivel celular para reducir arrugas, mejorar la elasticidad de la piel y promover la regeneración celular.
Protección solar Otra aplicación prometedora del electrospinning en cosmética es en la formulación de productos de protección solar. Las fibras pueden cargarse con filtros solares y antioxidantes, proporcionando una barrera física y química contra los daños causados por los rayos UV. La alta superficie específica de las fibras permite una distribución uniforme y una mejor adhesión a la piel, mejorando la eficacia del producto.
Ejemplo comercial: Fiber Boost Technology by Bioinicia Cosmetics
Bioinicia Cosmetics es la compañía del grupo Bioinicia dedicada a desarrollar y comercializar productos cosméticos basados en electrospinning apoyándose en la extensa experiencia de Bioinicia en el sector farma.
Mientras que la cosmética tradicional necesita emplear sustancias como excipientes o aditivos en sus productos, el uso del electrospinning en cosmética permite desarrollar productos cosméticos con un 100% de ingredientes activos, ya que es el propio principio activo el que se procesa en forma de fibras mediante electrospinning.
En concreto, Bioinicia Cosmetics ha desarrollado una gama de parches en la que el ácido hialurónico es el activo principal. Las fibras electroestiradas de ácido hialurónico se depositan sobre un sustrato que es biodegradable y compostable, reafirmando la apuesta de Bioinicia Cosmetics por la sostenibilidad. Además, el origen de los principios activos es 100% natural y vegano, y la producción tiene lugar a temperatura ambiente, con el consiguiente ahorro energético. En otras palabras, la sostenibilidad es otro valor añadido aportado por el electrospinning en cosmética.
De este modo, los parches cargados de ácido hialurónico consiguen una penetración del principio activo hasta 10 veces superior comparado con su equivalente en cosmética tradicional. Su aplicación resulta muy sencilla, ya que simplemente hay que aplicar el parche durante 3 segundos sobre la piel previamente humedecida con agua. Debido a que la estructura conformada por las nanofibras imita la topología de la piel, este tiempo es suficiente para conseguir que todo el principio activo pase del parche a la piel, optimizando su eficacia. Algunos de los beneficios que se obtienen con su uso son un efecto lifting inmediato, la prevención y corrección de arrugas y una hidratación profunda.
Conclusiones sobre el uso de electrospinning en cosmética
El electrospinning es una técnica innovadora con un potencial significativo también en la industria cosmética. Su capacidad para producir fibras ultrafinas con propiedades controladas a nivel nanométrico ofrece ventajas únicas en la formulación y eficacia de productos cosméticos. Desde mascarillas faciales y parches transdérmicos hasta productos antienvejecimiento y de protección solar, las aplicaciones del electrospinning en cosmética están transformando la manera en que abordamos el cuidado de la piel. Con la continua investigación y desarrollo, es probable que veamos una adopción creciente de esta tecnología en el futuro cercano, ofreciendo productos más eficaces y personalizados a los consumidores.
Conclusiones sobre el uso de electrospinning en cosmética
El electrospinning es una técnica innovadora con un potencial significativo también en la industria cosmética. Su capacidad para producir fibras ultrafinas con propiedades controladas a nivel nanométrico ofrece ventajas únicas en la formulación y eficacia de productos cosméticos. Desde mascarillas faciales y parches transdérmicos hasta productos antienvejecimiento y de protección solar, las aplicaciones del electrospinning en cosmética están transformando la manera en que abordamos el cuidado de la piel. Con la continua investigación y desarrollo, es probable que veamos una adopción creciente de esta tecnología en el futuro cercano, ofreciendo productos más eficaces y personalizados a los consumidores.
La Unidad de Control Ambiental (ECU) es un sistema externo y autónomo que introduce aire limpio y acondicionado limpio en la cámara de fabricación para regular la temperatura (T) y la humedad relativa (HR) durante el proceso de electrohilado. Además, el flujo de aire también puede controlarse y ajustarse en caso necesario. El control de la T, la HR y el flujo de aire del proceso de electrospinning es de vital importancia para obtener fibras reproducibles, para obtener una morfología de fibras o partículas reproducible, aumentar la consistencia de la muestra y el rendimiento, así como garantizar la buena evaporación de los vapores de disolvente (evitando así que las fibras o partículas tengan un alto contenido residual de disolvente).
Enviromental Control Unit de Fluidnatek
La fabricación reproducible de nanofibras y nanopartículas por electrospinning y electrospray puede ser un reto. La incorporación de la unidad de control (ECU) mejora la capacidad de los electrospinners, sobre todo porque permite la facilidad de fabricación independientemente del tiempo y el lugar y la prevención de atascos. Un control medioambiental adecuado en electrospinning permite ampliar la lista de polímeros y disolventes que pueden utilizarse para el desarrollo de muestras. La incorporación de la ECU también hace que el proceso sea más repetible (consistencia lote a lote), y escalable, manteniendo al mismo tiempo unas condiciones seguras para el operario.
Ventajas de utilizar la Unidad de Control Ambiental desarrollada por Fluidnatek en su proceso de electrospinning cuando se trata de:
Polímeros
Disolventes
Ingredientes activos
Propiedades de la fibray Morfología
Escalabilidad
Seguridad
POLÍMEROS
Polímeros sensibles a la temperatura y la humedad relativa:
La capacidad de controlar las condiciones ambientales durante el proceso de electrospinning amplía la lista de polímeros que pueden procesarse adecuadamente. Entre ellos se encuentran los polímeros especialmente sensibles a la temperatura y la humedad. Un buen ejemplo de ello son, entre otros, los siguientes polímeros Policaprolactona (PCL), ácido poliláctico (PLA), ácido poliglicólico (PGA), ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA), óxido de polietileno (PEO), poliacrilonitrilo (PAN), poliuretano (PU), gelatina (Gel), colágeno (Clg) y nailon (N6 o N66). Estos polímeros se utilizan en aplicaciones como ingeniería de tejidos, dispositivos médicos, administración de fármacos, filtración, almacenamiento de energía y envasado de alimentos, entre otras.
Un control estricto de la temperatura, la humedad relativa y el flujo de aire permitirá una estabilidad constante del cono de Taylor, evitará la obstrucción de las agujas (en los sistemas de electrospinning basados en agujas) y abrirá posibilidades de investigación y producción que darán lugar a una fabricación constante y reproducible, independientemente de la época del año y la ubicación.
La foto 1 muestra el impacto de un control preciso de la temperatura y la humedad relativa en la morfología de las fibras, mostrando imágenes SEM de dos muestras sin defectos producidas utilizando diferentes condiciones ambientales.
Foto 1a
Foto 1b
Foto 1. Fibras electrospun desarrolladas en condiciones estrictas con la tecnología de la Unidad de Control Ambiental (ECU) de Fluidnatek: a) microfibras de PCL a 24°C/40% HR, b) submicrofibras de PLA a 25°C/30% HR. Imágenes: Nanoscience Instruments.
Polímeros con buena afinidad a los disolventes: Polymers that have good affinity to solvents can be difficult to minimize the residual solvent unless the right temperature, relative humidity and sometimes even a specific air flow rate are used during fabrication. A few examples of this include Collagen (Clg), Gelatin (Gel), Chitosan (natural materials) and solvents like Hexafluoroisopropanol (HFIP). These natural polymers are widely used in electrospinning, in uses like tissue engineering applications and medical devices (e.g. in applications like wound healing) as they are found in the native extracellular matrix and can be tuned to application needs thanks to the unique capabilities of electrospinning.
La incorporación de la unidad de control medioambiental de Fluidnatek garantiza un amplio rango de temperatura y humedad relativa, lo que simplifica el procesamiento de polímeros y disolventes con buena afinidad y garantiza la eliminación adecuada del disolvente durante el desarrollo de la muestra (por ejemplo, en la fase de I+D), o durante la fabricación, cuando el proceso se ha escalado y se ha llevado a la fase de fabricación.
La foto 2 muestra las fibras de colágeno y gelatina procesadas con HFIP en condiciones ambientales estrictas que pueden conseguirse utilizando la ECU de Fluidnatek. El funcionamiento con humedades relativas bajas puede provocar la obstrucción y el goteo de las agujas. En el caso del colágeno, fue posible evitar la obstrucción de las agujas y el goteo al aumentar la humedad hasta el 63%, lo que permitió una producción constante de fibras electrohiladas (Foto 2a).
En el otro caso, se obtuvieron microfibras de gelatina a partir de una receta con HFIP mezclado con ácido acético como disolventes en este proceso de electrospinning, a menor humedad (35% HR). En este caso, la solución y los parámetros de procesamiento se optimizaron para permitir estructuras en forma de cinta (Foto 2b).
Foto 2a
Foto 2b
Foto 2. Fibras naturales electrohiladas producidas en condiciones ambientales definidas. Fibras naturales electrospun producidas en condiciones ambientales definidas. a) Fibras de colágeno a 22°C y 63% HR, b) Fibras de gelatina a 25°C y 35% HR, ambas disueltas en HFIP. Imágenes: Nanoscience Instruments.
CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU
Disolventes
La posibilidad de controlar las condiciones ambientales durante el electrospinning amplía la lista de disolventes que pueden utilizarse.
Disolventes Volátiles:
Acetona (Ace), diclorometano (DCM), cloroformo (CHF), acetato de metilo (MA) y acetato de etilo (EA) se utilizan habitualmente para el electrospinning y el electrospraying. Debido a su elevada presión de vapor y, por tanto, a su alta velocidad de evaporación, pueden producirse atascos en las agujas o el denominado efecto de chorro secundario (Foto 3a). El resultado es una fabricación inconsistente, en la que la reproducibilidad lote a lote se convierte en un reto. Un excelente control medioambiental permite utilizar estos disolventes volátiles eligiendo las condiciones adecuadas para evitar la obstrucción de las agujas (foto 3b).
Foto 3
Foto 3. Una solución polimérica con bajo punto de ebullición procesada bajo diferentes niveles de humedad relativa: a) 25°C, 35% HR causando atascos, y b) condiciones optimizadas de 25°C, 50% HR permitiendo un proceso estable y evitando atascos. Imágenes: Nanoscience Instruments.
La Foto 4 muestra ejemplos de fibras y partículas típicas de PCL y PLA desarrolladas con disolventes de alta presión de vapor, es decir, disolventes volátiles. Estos materiales son biocompatibles y se utilizan habitualmente en aplicaciones relacionadas con la ingeniería de tejidos, los dispositivos médicos y la administración de fármacos. Sin el control de la temperatura y la humedad, la producción de estas fibras o partículas no sería posible de forma constante.
Foto 4a
Foto 4b
Foto 4c
Foto 4. Fibras electrospun y partículas electrospray producidas a partir de disolventes altamente volátiles en condiciones ambientales estrictas a) PCL en DCM a 25°C, 40% HR, b) PLA en DCM a 25°C, 50% HR y c) PCL en MA a 22°C, 60% HR. Imágenes: Nanoscience Instruments.
Disolventes no volátiles (baja velocidad de evaporación):
Ácido acético (AA), dimetilformamida (DMF), dimetilacetamida (DMAc), agua (W), N-metil-2-pirrolidona (nMP), entre otros, pueden ser difíciles de procesar debido a su baja velocidad de evaporación. Esto se debe a que el disolvente no se evapora completamente de los materiales fabricados haciendo que se adhieran entre sí. Una gran cantidad de disolvente residual permanece en las fibras o partículas, este es un problema común en estos casos. ¿Cómo ayuda la unidad de control ambiental a resolver el problema en estos casos? Aumentando la temperatura del aire de la cámara (reduciendo así la humedad relativa) y disminuyendo la humedad (secado; reduciendo así la humedad absoluta del ambiente) para procesar este tipo de disolventes con facilidad y evitar, o al menos minimizar, que quede disolvente residual en las muestras o materiales producidos.
El polímero soluble en agua óxido de polietileno (PEO) se utiliza comúnmente en el electrospinning como polímero de sacrificio cuando se fabrican fibras electrospun y partículas electrosprayed de materiales que no son fácilmente spinnable (o en absoluto …) por sí mismos. La foto 5a muestra imágenes SEM de fibras de PEO disueltas en agua. A humedades relativas bajas el agua se evapora relativamente bien, permitiendo la producción de fibras de mayor tamaño, mientras que a medida que la humedad relativa es mayor, el agua se evapora más lentamente, permitiendo el ajuste fino de la microestructura, consiguiendo obtener fibras de menor tamaño (diámetro de las fibras).
Foto 5a
Foto 5b
Foto 5c
Foto 5. Polímeros sintéticos electrospun disueltos en disolventes de baja presión de vapor en condiciones ambientales estrictas utilizando la Unidad de Control Ambiental Fluidnatek: a) PEO en agua a 28°C, 40% HR, b) PAN en DMF a 25°C, 40% HR, c) Poliuretano termoplástico (TPU) en DMAc a 24°C, 43% HR. Imágenes: Nanoscience Instruments.
El poliacrilonitrilo (PAN) es un polímero que suele utilizarse en la filtración de aire o como precursor de nanofibras de carbono (que pueden obtenerse mediante un proceso posterior de calcinación) para su uso en aplicaciones como el almacenamiento de energía y las pilas de combustible, donde se requieren altos índices de densidad energética para membranas y separadores. La foto 5b muestra fibras producidas a partir de PAN en DMF. En este caso, la temperatura y la humedad relativa se ajustaron para maximizar la producción de PAN, evitar la unión fibra-fibra y minimizar el disolvente residual. El PAN es un buen ejemplo de material bastante sensible a los cambios ambientales, por lo que una unidad de control ambiental precisa y estable como la de Fluidnatek es imprescindible para un procesamiento óptimo.
El poliuretano termoplástico (TPU) se utiliza habitualmente para recubrir dispositivos médicos gracias a su estabilidad y propiedades mecánicas ideales para metales implantables como stents, injertos vasculares o válvulas cardíacas. Los dispositivos médicos con revestimiento de TPU deben tener la capacidad de engarzarse en diámetros más pequeños que requieran flexibilidad. El control de la temperatura y la humedad relativa es crucial para evitar posibles uniones fibra-fibra que puedan dificultar la capacidad de engarce del TPU. La foto 5c muestra la microestructura de las fibras de poliuretano termoplástico generadas utilizando DMAc como disolvente.
CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU
Principios activos
Varios de los ingredientes activos que se utilizan habitualmente en el electrospinning, como proteínas, aminoácidos, vitaminas, péptidos, bacterias, células vivas o ingredientes farmacéuticos activos, suelen ser sensibles a la temperatura y la humedad. A altas temperaturas, la estructura nativa puede degradarse y a altos niveles de humedad podría producirse hidrólisis, con lo que el aditivo se volvería ineficaz (o perdería parte de su eficacia). En la electropulverización, se utilizan aditivos como tensioactivos y sales para mejorar la suspensión de partículas metálicas aumentando la tensión superficial, pero éstos pueden verse afectados si la temperatura y la humedad relativa no son las ideales. La unidad de control ambiental de Fluidnatek permite al usuario controlar estrictamente el proceso de 18°C a 45°C (±1°C) y de 10% a 80% (±3%) de humedad relativa para evitar cualquier efecto no deseado al utilizar ingredientes activos o aditivos termolábiles.
CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU
Propiedades de las fibras y morfología de los materiales Electrospun
Al desarrollar un proceso para producir fibras o partículas, ya sea por electrospinning (fibras) o por electrospraying (partículas), es importante optimizar el proceso desde el principio (fase de I+D) para que los productos finales tengan propiedades definidas, sean consistentes y reproducibles cada vez. Una morfología uniforme de las fibras es crucial para mantener unas propiedades mecánicas adecuadas, como la resistencia a la tracción, el módulo, el alargamiento, la fuerza de retención de la sutura y la presión de rotura. Además, la porosidad de los materiales electrospun puede ajustarse modificando el tamaño de las fibras. Además, la aparición de posibles defectos, como perlas y salpicaduras en la morfología de las membranas electrospun, puede depender en gran medida de las condiciones ambientales (adecuadas o inadecuadas). El control medioambiental desempeña un papel fundamental en el desarrollo de procesos optimizados de electrospinning y electrospraying.
Por ejemplo, la producción de fibras de gelatina a 25°C y 70% da como resultado una microestructura de fibras en forma de cuentas (Foto 6a). A humedades elevadas, el agua de la solución no se evapora correctamente, disminuye la viscosidad de la solución y el polímero no se alarga completamente durante la fase de chorro en el electrospinning, lo que provoca dichas estructuras de cuentas. Estas estructuras rebordeadas afectarán a su vez a las propiedades mecánicas, el tamaño de los poros, la porosidad y la posible liberación de un ingrediente activo (por ejemplo, en productos farmacéuticos o cosméticos que utilicen electrospinning o electrospraying).
Foto 6a
Foto 6b
Foto 6c
Foto 6. Fibras de gelatina producidas a diferentes niveles de humedad relativa. a) 25°C, 70% HR y b) 25°C, 35% HR. Las fibras producidas a niveles altos de HR muestran estructuras rebordeadas, mientras que las fibras generadas a niveles más bajos de humedad son fibras lisas, redondas y alargadas. Imágenes: Nanoscience Instruments.
Si se optimiza el proceso de electrospinning y se utiliza una humedad relativa más baja, del 35%, para producir las fibras de gelatina, se obtienen fibras de gelatina redondeadas (Foto 6b). Con niveles de humedad más bajos, se optimiza la evaporación del disolvente, lo que permite que el material en la fase de chorro del electrospinning se elongue correctamente y se solidifique a un ritmo ideal.
Otro parámetro clave que afecta a las propiedades de las fibras y a la morfología de las estructuras electrospun es la temperatura, que trabaja en cohorte con la humedad relativa y las propiedades del disolvente. A fin de cuentas, la temperatura y la humedad relativa no son variables independientes, sino que ambas están correlacionadas. Si la viscosidad de la solución disminuye significativamente a medida que aumenta la temperatura, es probable que disminuya el diámetro de la fibra. Esto se debe a que la viscosidad de la solución disminuye permitiendo que las cadenas moleculares del polímero se muevan más rápidamente y dando lugar a fibras más finas. Sin embargo, un aumento significativo de la tasa de evaporación debido al aumento de la temperatura podría dar lugar a su vez a un diámetro de fibra más grueso (un aumento de la temperatura reducirá la humedad relativa en la cámara de fabricación del electrospinner). Así pues, la temperatura debe optimizarse y equilibrarse en cada proceso y para cada aplicación.
En general, las fibras electrospun fabricadas con polímeros hidrófilos a baja temperatura y alta humedad relativa tendrán diámetros más pequeños, mientras que a alta temperatura y baja humedad relativa se obtendrán fibras de mayor tamaño. Mientras que en el caso de los polímeros hidrófobos, cuando se procesan con electrospinning a humedades relativas elevadas, se presentarán estructuras altamente porosas en la morfología de la fibra observada, ya que las gotas de agua pueden acumularse en la superficie del polímero. La presencia de poros en la estructura de la fibra se considerará normalmente como un defecto, causando una disminución de las propiedades mecánicas (a menos que la aplicación específica requiera fibras porosas de hecho; en tal caso, esto también se puede lograr con las condiciones ambientales adecuadas).
CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU
Escalabilidad
El control medioambiental es fundamental cuando se intenta ampliar el proceso de electrospinning desde los estudios preliminares de prueba de concepto y viabilidad hasta la producción a escala piloto, para llegar finalmente a la fabricación industrial (producción en masa). La estabilidad, repetibilidad y reproducibilidad del proceso dependen en gran medida de las condiciones ambientales, además de otros factores.
Para ilustrar la importancia de las condiciones ambientales en el escalado de los procesos de electrospinning, y como ejemplo de referencia, se fabricaron fibras de poliacrilonitrilo (PAN) en dimetilformamida (DMF) utilizando 60 agujas. Se determinó que las condiciones óptimas eran un caudal de 30 mL/h (0,5 mL/h por aguja) cuando se utilizaban condiciones ambientales de 25°C, 35% de humedad relativa y un caudal de aire de 90 m3/h.
Cuando se intentó aumentar la escala duplicando las agujas de 60 a 120, el caudal se aumentó a 60 mL/h para mantener un caudal similar de 0,5 mL/h por aguja. Utilizando las mismas condiciones ambientales se produjeron defectos, comúnmente conocidos como apilamiento y apilamiento cruzado (Foto 7a). El apilamiento puede definirse como fibras que empiezan a acumularse, o stacking, desde el colector hasta la aguja. Por otro lado, el apilamiento cruzado puede definirse como las fibras que se acumulan entre fibras procedentes de agujas separadas.
Foto 7a
Foto 7b
Foto 7. Efecto de la temperatura y la humedad relativa en la escalabilidad de las PAN:: a) ejemplos claros de defectos de apilamiento y apilamiento cruzado presentes. a) temperatura y humedad relativa optimizadas y flujo de aire sin defectos. Imágenes: Nanoscience Instruments.
Para superar estos defectos, se optimizaron las condiciones ambientales y se observó un proceso estable a 40°C, 18% HR y un flujo de aire de 120 m3/h (Foto 7b). Los resultados se resumen en la Tabla 1. La mayor temperatura y la menor humedad aumentaron la velocidad de evaporación, y el mayor caudal de aire eliminó más rápidamente de la cámara los disolventes evaporados. Esto dio lugar a una producción suave y uniforme de PAN.
El control de las condiciones ambientales permite ayudar a la eliminación de disolventes, evitar la obstrucción de las agujas u otros defectos durante la producción de muestras (fase de desarrollo) o de rollos de material (fases de ampliación y fabricación), y permite disipar la carga residual. La optimización de las condiciones ambientales no sólo estabiliza el proceso, sino que también puede lograrse un aumento del rendimiento del proceso de electrospinning (Tabla 1), abriendo posibilidades de trasladar el proceso hacia la producción a escala industrial. Todo ello combinado permite utilizar la Unidad de Control Ambiental para transferir fácilmente una solución desde la I+D, al desarrollo del proceso, a la escala piloto y, finalmente, a la producción a escala industrial. Los requisitos básicos de la unidad de control ambiental son principalmente tres: 1) Versatilidad: son necesarios todos los grados de libertad: calefacción/refrigeración y secado/humidificación; 2) Estabilidad: una gran estabilidad de la temperatura y la humedad relativa en torno a los puntos de ajuste seleccionados es imprescindible para un procesamiento ajustado; 3) Agilidad: definida como la rapidez con la que la ECU es capaz de alcanzar los puntos de ajuste de las condiciones ambientales. Esto es exactamente lo que ofrece la unidad de control ambiental de Fluidnatek.
Agujas
Velocidad de flujo
Condiciones medioambientales
Resultado
60
30 mL/h
25°C, 35% RH, air flow of 90 m3/h
Proceso estable
120
60 mL/h
25°C, 35% RH, air flow de 90 m3/h
Defectos de apilado y apilado cruzado
120
60 mL/h
40°C, 18% RH, air flow de 120 m3/h
Proceso estable
120
120 mL/h
40°C, 18% RH, air flow de 120 m3/h
Rendimiento estable y aumentado
CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU
Seguridad
La seguridad es un aspecto de gran importancia en la electrohilatura, ya que a menudo puede ser necesario utilizar disolventes inflamables y/o tóxicos, así como polímeros o aditivos inflamables. La unidad de control ambiental (ECU) desarrollada por Fluidnatek ofrece un par de funciones de seguridad para mantener eficazmente unas condiciones estables y seguras.
Sistema de escape con regulación activa
Los sensores de presión diferencial se implementan en un bucle de control con un ventilador de extracción para garantizar una ventilación óptima mientras se mantiene una presión ligeramente negativa dentro de la cámara. Si se interrumpe la ventilación, el sistema se apaga de forma segura para evitar la posible acumulación de vapores de disolventes peligrosos. Este sistema funciona en comunicación y coordinación con la unidad de control ambiental para mantener siempre un proceso estable con temperatura (18°C a 45°C ± 1°C), humedad relativa (10% a 80% ± 3%) y caudal de aire (50 m3/h a 180 m3/h).
Atmósfera inerte
Si se utilizan grandes volúmenes de disolventes altamente inflamables o explosivos, la ECU puede implementarse con un bucle de nitrógeno. Combinado con un sensor de oxígeno, esto puede garantizar que se mantengan los límites de seguridad (estando por debajo del Límite Inferior de Explosión o LIE). El usuario puede definir el límite de concentración de oxígeno y el sistema garantizará automáticamente que se mantengan esos límites.
CONCLUSIONES
La Unidad de Control Ambiental (ECU) es un elemento crítico en el proceso de electrospinning. Dependiendo de las condiciones ambientales en la cámara de fabricación de un electrospinner, los resultados obtenidos -materiales electrospun- pueden diferir significativamente (incluso con los mismos valores para el resto de variables que gobiernan el proceso de electrospinning). Fluidnatek es plenamente consciente de este hecho, y esto nos llevó a diseñar nuestra propia Unidad de Control Ambiental específicamente diseñada para un proceso evaporativo específico como es la electrospinning. De hecho, recientemente hemos lanzado nuestra ECU de 2ª Generación, que mejora aún más la versión anterior.
Fluidnatek ECU de 2ª Generación
Versatilidad, estabilidad y agilidad están dentro de las propiedades más importantes de una excelente Unidad de Control Ambiental. Como se ha explicado a lo largo de este artículo, y dado que los materiales y los disolventes tienen propiedades químicas y físicas diferentes, el control ambiental afecta a la dinámica de procesamiento en electrospinning para polímeros y materiales en general, disolventes y principios activos o aditivos.
Así pues, los resultados obtenidos para los materiales electrospun o electrosprayed serán diferentes en función de las condiciones ambientales (a menudo bastante diferentes…). Por lo tanto, es clave para el éxito determinar cuáles son los parámetros de proceso óptimos para cada solución específica en electrospinning y electrospraying, y esto incluye sin duda la temperatura óptima y la humedad relativa en la cámara. Pero además, las condiciones ambientales en electrospinning también afectan a la escalabilidad de los procesos, así como a aspectos de seguridad que tampoco son desdeñables. En este sentido, desde Fluidnatek estamos orgullosos de poder ofrecer a nuestros clientes una Unidad de Control Ambiental única y de primer nivel, con unas prestaciones inigualables, capaz de trabajar en coordinación con nuestros equipos de electrospinning Fluidnatek. Puesto que somos usuarios de electrospinning industrial y fabricantes a gran escala de múltiples materiales electrospun (y también de materiales electrosprayed), somos absolutamente conscientes de la importancia crítica de un estricto control medioambiental en el electrospinning.
Este año, la Reunión Anual de la DGBM se dedicó a la traslación de los biomateriales y los requisitos para su aplicación con éxito en futuros enfoques terapéuticos.
Ha sido una gran oportunidad para mostrar nuestra probada experiencia en tecnología de nanofibras y nanopartículas y nuestras soluciones Premium Electrospinning.
Nos gustaría dar las gracias al comité organizador de la DGBM por invitarnos a esta exitosa edición.
Chronic wounds and wound infections are a major problem for the society and novel treatment approaches are developed to improve the current wound care. Electrospun fibrous matrices have several desired ideal wound dressing properties and therefore have shown potential to help the wounds to heal. One of the advantages of electrospun matrices is their fibrous structure resembling the structure of the extracellular matrix of the skin. The other advantage is the possibility to include different drug molecules or even living cells into the fibers. This allows developing innovative drug delivery systems with controlled drug release properties or delivery systems for living cells while preserving their viability and functionality. For the development of such innovations for wound care, it is needed to carefully design the formulations and use electrospinning methods/equipment which provide high-quality and reproducible results. In the webinar, the overall concept of novel delivery systems for wound healing and wound infection treatment will be introduced which are under the development in EsaDres.
About the speaker
Prof K. Kogermann is a CEO and Co-Founder of EsaDres, and the Head of Institute of Pharmacy, at the University of Tartu. She has established her research group – Laboratory of Pharmaceutical Development and Research (www.kogermannlab.com) and the major research focus has been the development of novel drug delivery systems using nanotechnology. Her group has published several research Publications and also a patent on the topic and 9 PhD students have defended their theses under her supervision. Prof Kogermann is working as an expert in the State Agency of Medicines and also in European Pharmacopoeia Dosage Forms group 12.
About EsaDres
EsaDres is a company which will change the wound care by providing on-demand and customized manufacturing of personal wound dressings. We bring the wound dressing preparation technology to the clinic close to the patient and enable the on-site manufacturing of the dressings in according to the patient´s individual needs. We prepare dressings which help the hard-to-heal wounds to heal and our solution is validated on wound care experts in Europe.
More information
Institute of Pharmacy, University of Tartu, Estonia; Pharmaceutical R&D Laboratory. Click herefor more information.
El objetivo del trabajo de investigación que expone esta application note es desarrollar un hilo de sutura compuesto por fibras obtenidas mediante electrospinning (surgical suture yarns made of electrospun fibers) y entrelazadas mediante un electrospun fiber-yarn collector, a las que se les ha añadido ciprofloxacina como agente antimicrobiano para evitar las infecciones quirúrgicas (surgical site infections). Dicho de otro modo, la tecnología de electrospinning se posiciona como una alternativa con alto potencial para el desarrollo de surgical sutures construidas a partir de nanofibras (electrospun nanofibers en este caso). El polímero escogido para el hilo ha sido el PHBV, del cual se han probado 3 variantes con distintos contenidos de unidades 3HV. Se ha llevado a cabo una caracterización completa de los diferentes hilos de sutura (es decir, de las distintas electrospun yarns obtenidas), tanto desde el punto de vista mecánico como de su eficacia antimicrobiana, mostrando unas prometedoras propiedades mecánicas y un alto efecto antimicrobiano.
Introducción
Las suturas son un procedimiento quirúrgico rutinario para cerrar heridas y unir tejidos. Este tipo de intervenciones, debido a sus características intrínsecas, son susceptibles a la aparición de patógenos en lo que se denomina infecciones del sitio quirúrgico (surgical site infections, SSI). Las SSI son causantes de un gran número de complicaciones médicas, así como de un incremento en la morbilidad, la mortalidad y los costes sanitarios asociados. A lo largo del tiempo, se han desarrollado un gran número de hilos de sutura dependiendo de las características del tejido a suturar. Sin embargo, y pese a los grandes inconvenientes que suponen las SSI, poco se ha avanzado en mejorar el efecto terapéutico de los hilos de sutura para evitar las SSI. Generalmente, la incorporación de sustancias antimicrobianas se ha llevado a cabo usando técnicas como el hilado caliente (melt spinning), el recubrimiento por inmersión (dip coating) o el remojo (soaking), entre otros. Aunque estas técnicas se han mostrado efectivas hasta cierto punto, ninguna de ellas logra encapsular apropiadamente la sustancia de interés, por lo que no se controla adecuadamente su perfil de liberación ni su estabilidad a lo largo del tiempo. Y ahí es donde la técnica de electrospinning puede aportar un valor adicional en el desarrollo de drug-loaded electrospun yarns.
En este sentido, la técnica que ha demostrado ser capaz de incorporar fármacos de manera efectiva es el electrospinning. El electrospinning permite obtener nano y microestructuras a las que se les puede incorporar fármacos dentro de su matriz polimérica en un solo paso, de manera que mejora sustancialmente su proceso de liberación. Además, otra gran ventaja del uso del electrospinning para esta aplicación es que para la obtención de las nanofibras no es necesario emplear altas temperaturas, lo que permite encapsular compuestos como proteínas, factores de crecimientos péptidos, ADN u otras sustancias que no sería posible encapsular con otras técnicas como el hilado caliente (melt spinning).
En esta contribución científica, miembros del departamento de R&D de Bioinicia desarrollan un hilo de sutura compuesto por nanofibras obtenidas mediante electrospinning y entrelazadas mediante un dispositivo llamado electrospun fiber-yarn collection module, un accesorio desarrollado por Fluidnatek (siendo Bioinicia Fluidnatek una filial del Grupo Bioinicia), a las que se les ha añadido ciprofloxacina como agente antimicrobiano.
Materiales y métodos
Existen diferentes biopolímeros empleados en aplicaciones biomédicas. Desde el PLLA, considerado el gold standard, pasando por el PEG, PLGA, PDS, PLA o PHA. Todos ellos son polímeros que pueden procesarse mediante electrospinning. Dentro de la familia de los PHAs, que es un polímero biodegradable y altamente biocompatible, se ha investigado mucho sobre el PHB y, dentro de éste, en su copolímero PHBV (poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate). El PHB posee una alta cristalinidad y organización macromolecular, lo que da lugar a un material rígido y quebradizo que carece de fuerza mecánica. Por su parte, el co-poliéster PHBV muestra propiedades térmicas y mecánicas mejoradas, que varían dependiendo del contenido de unidades 3HV presentes en el poliéster.
Por su parte, en este trabajo se ha empleado el clorhidrato de ciprofloxacina (CPX) como sustancia antimicrobiana para encapsular en las electrospun nanofibers. El CPX es un antibiótico que pertenece a la familia de las fluoroquinolonas, de conocida eficacia contra bacterias del tipo Gram-positivo y Gram-negativo.
En este estudio, se han desarrollado 3 tipos de hilos de sutura basados en el polímero PHBV con diferentes contenidos en unidades 3HV, en concreto, 2%, 10% y 20% molar. En todos los casos, el PHBV se ha disuelto al 8% wt en TFE (2,2,2-trifluoretanol). El CPX se ha añadido al 20% wt en la relación con la cantidad de polímero.
El equipo de electrospinning empleado para procesar las disoluciones ha sido un Fluidnatek LE-500, una planta-piloto de producción high-throughput, que puede asimismo implementar el electrospun fiber-yarn collector module en su configuración. La disolución, contenida en una jeringa, es empujada por una bomba hasta que emerge por la punta de la aguja. El alto campo eléctrico presente entre la punta de la aguja y el colector elonga la disolución por acción del campo eléctrico hasta formar un jet. Este aumento en la superficie de contacto entre la disolución y el medio provoca la evaporación del disolvente y la creación de nanofibras. En esto consiste básicamente la técnica de electrospinning. Para generar los hilos de sutura, se ha empleado un accesorio denominado fiber yarn collector module desarrollado por Fluidnatek. Este accesorio consta de un funnel rotatorio sobre el que se dirigen las nanofibras generadas mediante electrospinning. Al aproximarse al funnel, las nanofibras se entrelazan siguiendo la dirección de rotación del funnel, hasta que finalmente conforman un hilo que es recogido de manera continua por un carrete giratorio. Para asegurar la consistencia y la reproducibilidad en la fabricación de todos los hilos de sutura desarrollados, se ha empleado un ECU (Environmental Control Unit) que permite establecer valores concretos de temperatura y humedad relativa, en este caso, 30°C y 30% RH, respectivamente. La Environmental Control Unit también ha sido desarrollada por Fluidnatek, diseñada específicamente para sus equipos de electrospinning y para un proceso evaporativo tan particular como es el electrospinning (y el electrospraying).
Las propiedades mecánicas y antimicrobianas de los diferentes hilos de sutura (drug-loaded yarns made of electrospun fibers) obtenidos han sido evaluadas mediante la obtención de imágenes SEM (scanning electron microscopy), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier, dispersión gran angular de rayos X, calorimetría de barrido diferencial y control de liberación de fármacos in vitro.
Resultados y conclusión
Los 3 hilos de sutura generados mediante electrospinning a partir de PHBV con diferentes concentraciones de unidades de 3HV y cargados con CPX muestran una morfología cilíndrica con un diámetro total de entre 300 y 500 µm, compuestos a su vez por fibras individuales obtenidas mediante el proceso de electrospinning, cada una de esas fibras a su vez con un diámetro medio de entre 1 y 3 µm. La CPX aparece en estado amorfo dentro de los hilos y la cristalinidad del polímero se reduce a medida que aumenta el contenido de unidades 3HV, lo que a su vez se relaciona con el perfil de liberación del fármaco. La presencia de CPX en los hilos ha demostrado una alta actividad antibacteriana para dos patógenos típicos, uno Gram-positivo y el otro Gram-negativo, por lo que estos hilos de sutura podrían resultar adecuados en procedimientos quirúrgicos para evitar las SSI.
Pese a las prometedoras propiedades mecánicas y el alto efecto antimicrobiano, la elasticidad de los hilos de sutura generados por ahora no llega a alcanzar a la de los hilos de sutura tradicionales, por lo que este parámetro debería mejorarse en el futuro para que este tipo de hilo pudiese ser una alternativa a los que se emplean actualmente. Pero lo que está claro es que el electrospinning se posiciona como una seria alternativa para producir continuous fiber yarns, y en el caso concreto que aplica a esta application note para producir drug-loaded electrospun fiber yarns con fines médicos.
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