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Fibras electrohiladas como capa interfacial de implante: modulación de la interacción implante-tejido

Posted on by Vicente Zaragozá
Implant–Tissue
16
Mar

Introducción: Mejora de las interacciones entre el implante y los tejidos

El rendimiento a largo plazo de los implantes biomédicos viene determinado fundamentalmente por la respuesta biológica en la interfaz entre el implante y el tejido. Independientemente del material utilizado —metálico, polimérico o compuesto—, la superficie en contacto con el tejido del huésped determina la adsorción de proteínas, la activación inmunitaria, la adhesión celular y, en última instancia, la remodelación tisular. Unas propiedades de interfaz subóptimas pueden provocar inflamación persistente, encapsulación fibrosa o adherencias postoperatorias, lo que compromete tanto los resultados funcionales como la recuperación del paciente.
Traducción realizada con la versión gratuita del traductor DeepL.com

En los últimos años, las membranas de nanofibras electrohiladas se han revelado como opciones prometedoras para el diseño de capas inferfaciales en implantes. Su similitud estructural con la matriz extracelular (MEC), junto con la posibilidad de ajustar sus propiedades químicas superficiales y su capacidad de degradación, permite modular de forma controlada las interacciones entre las células y el material.

Un estudio reciente de Ren et al. (2023) analizó las membranas de policaprolactona (PCL) y polietilenglicol (PEG) obtenidas por electrospinning como capas interfaciales para implantes. Al variar el contenido de PEG, los autores ajustaron la hidrofilia de la membrana y evaluaron su influencia en la respuesta de los macrófagos in vitro y en la formación de adherencias in vivo utilizando un modelo de lesión del tendón de Aquiles en ratas. La hidrofilia de la superficie se reveló como un factor clave para atenuar la señalización inflamatoria y optimizar la integración entre el tejido y el implante.

Este artículo analiza las fibras electrohiladas como capas interfaciales para implantes, centrándose en su fundamento biológico, las estrategias de materiales, su relevancia traslacional y las consideraciones relativas a su fabricación en el contexto biomédico.

¿Qué son las capas interfaciales de los implantes y por qué son importantes?

La interfaz entre el implante y el tejido actúa como una capa intermedia funcionalizada o un scaffold biomimético diseñado para modular la señalización biológica bidireccional entre un dispositivo protésico y el tejido circundante. Más allá de los recubrimientos inertes, estas estructuras funcionan ahora como moduladores bioactivos que influyen en la respuesta inmunitaria aguda y en la posterior integración homeostática a largo plazo.

Entre los procesos biológicos clave que tienen lugar en la interfaz del implante se incluyen:

  • Adsorción de proteínas séricas
  • Reclutamiento y activación de las células inmunitarias
  • Dinámica de la polarización de los macrófagos
  • Migración de fibroblastos y deposición de la matriz extracelular
  • Encapsulación fibrótica o formación de adherencias

Los macrófagos desempeñan un papel fundamental en la determinación del destino de los materiales implantados. Su polarización hacia un fenotipo proinflamatorio (tipo M1) o pro-regenerativo (tipo M2) influye de manera significativa en los resultados de la cicatrización. La activación excesiva o prolongada de los macrófagos M1 se asocia con inflamación crónica y fibrosis, mientras que la polarización hacia el fenotipo M2 favorece la reparación y la remodelación tisular.

En el estudio de Ren et al., los macrófagos derivados de la médula ósea (BMDM) cultivados en membranas de PCL/PEG electrohiladas mostraron respuestas dependientes de la hidrofilia. El aumento del contenido de PEG mejoró la hidrofilia de la membrana y se asoció con una regulación a la baja de la expresión de genes inflamatorios y un aumento de la expresión de marcadores relacionados con la polarización de tipo M2. Estos resultados demuestran que la humectabilidad de la superficie puede influir de manera significativa en el comportamiento de las células inmunitarias.

La evaluación in vivo realizada con un modelo de rata demostró además que las membranas de PCL puro se asociaban con una formación considerable de adherencias, mientras que las membranas de PCL/PEG presentaban una reducción de las adherencias y facilitaban la separación del tendón del tejido circundante. La membrana con la mayor proporción de PEG mostró la respuesta inflamatoria más baja y el menor número de adherencias entre los grupos analizados.

Las nanofibras electrohiladas se replantean así como transductores bioactivos capaces de regular la integración entre el tejido y el implante, yendo más allá del concepto de barreras anatómicas estáticas

Nanofibras electrohiladas para la integración entre implantes y tejidos

El electrospinning produce fibras continuas con diámetros que suelen oscilar entre el rango nanométrico y el submicrométrico, formando membranas porosas e interconectadas. Varias características hacen que las nanofibras obtenidas mediante electrospinning resulten especialmente interesantes como capas interfaciales para implantes.

Ventajas de las biointerfaces fibrosas

  1. Arquitectura mimética ECM

La morfología fibrosa de las membranas electrohiladas se asemeja a la matriz extracelular nativa, lo que proporciona señales topográficas que influyen en la adhesión y la morfología celular. Esta similitud estructural puede facilitar interacciones célula-material más fisiológicas en comparación con las superficies lisas o con textura mínima.

  1. Gran superficie específica y porosidad

Las membranas electrohiladas presentan grandes áreas superficiales para la adsorción de proteínas y el contacto celular, mientras que su porosidad interconectada favorece la difusión de nutrientes y la infiltración celular en las zonas deseadas.

  1. Química de superficies ajustable

Al mezclar polímeros con diferentes propiedades fisicoquímicas, como el PCL hidrófobo y el PEG hidrófilo, es posible ajustar la humectabilidad de la membrana y su comportamiento de degradación. En el estudio de Ren et al., el aumento del contenido de PEG moduló directamente la hidrofilia y alteró las respuestas de los macrófagos.

  1. Degradación controlada

El estudio señaló que las membranas con un mayor contenido de PEG presentaban una estructura multicapa menos densa in vivo, lo que podría estar relacionado con una degradación más rápida y facilitar, potencialmente, la separación de los tejidos en la capa de la membrana. Esta observación sugiere que la cinética de degradación puede influir en la formación de la adhesión y en la remodelación de la interfaz.

Materiales utilizados y estrategias de funcionalización

Sistemas combinados de H3 PCL/PEG

La policaprolactona (PCL) es un poliéster biodegradable muy utilizado, conocido por su flexibilidad mecánica y su lenta degradación hidrolítica.

No obstante, su hidrofobicidad inherente suele provocar una adsorción proteica no específica, lo que puede desencadenar respuestas proinflamatorias adversas.

El polietilenglicol (PEG), por el contrario, es hidrófilo y se utiliza ampliamente para mejorar la humectabilidad de la superficie y reducir la adsorción no específica de proteínas. Al mezclar PEG con PCL antes del electrospinning, Ren et al. crearon membranas con hidrofilicidad ajustable, manteniendo al mismo tiempo la integridad estructural.

El estudio demuestra que al aumentar el contenido de PEG:

  • Aumenta la hidrofilia
  • Reduce la expresión de genes inflamatorios en los macrófagos
  • Favorece la polarización de tipo M2
  • Reduce la formación de adherencias in vivo

Es importante destacar que la investigación no se basó en la incorporación de moléculas bioactivas adicionales ni de fármacos; el efecto de modulación se logró únicamente mediante el ajuste de la composición del polímero y las propiedades superficiales resultantes.

Importancia de la alineación de las fibras

Las membranas del estudio se describieron como nanofibras alineadas. La alineación de las fibras puede influir en la orientación y la migración celular, especialmente en aplicaciones musculoesqueléticas en las que la arquitectura tisular anisotrópica es fundamental. Aunque el estudio se centra principalmente en los efectos de la hidrofilia, la alineación puede contribuir a orientar la organización tisular en la interfaz.

Aspectos a tener en cuenta en la modificación de superficies

Más allá de la mezcla de polímeros, las plataformas de electrospinning permiten estrategias adicionales, como la incorporación de agentes bioactivos o tratamientos superficiales posteriores a la fabricación. Sin embargo, el trabajo de Ren et al. destaca específicamente que, incluso sin una funcionalización bioquímica compleja, la mera modulación fisicoquímica puede alterar significativamente la respuesta inmunitaria y los resultados de adhesión.

Aplicaciones y relevancia clínica

Recuperación de tendones y prevención de adherencias

Las adherencias postoperatorias siguen siendo una complicación importante en la cirugía de tendones, ya que limitan la movilidad y la recuperación funcional. En el modelo de lesión del tendón de Aquiles en ratas utilizado por Ren et al., las membranas de PCL puro se asociaron con una adherencia tisular considerable. Por el contrario, las membranas de PCL/PEG redujeron la formación de adherencias, y la proporción más alta de PEG produjo los resultados más favorables en cuanto a la reducción de la inflamación y la mejora de la separación tisular.

Estos resultados sugieren que las capas de interfaz de implantes electrohilados pueden actuar como barreras físicas y biológicas que minimizan la formación de puentes fibróticos patológicos, al tiempo que favorecen una cicatrización controlada.

Implicaciones más amplias para la integración del implante con el tejido

Aunque el estudio evalúa específicamente un modelo de tendón, el principio subyacente —la modulación del fenotipo de los macrófagos a través de la hidrofilia de la superficie— tiene implicaciones más amplias para otras aplicaciones de implantes en tejidos blandos. Sin embargo, la extrapolación a implantes ortopédicos de tejidos duros o dispositivos cardiovasculares requiere una validación experimental específica.

Este trabajo respalda un paradigma en el que la ingeniería de superficies de implantes da prioridad a la modulación inmunológica como objetivo principal de diseño.

PCL aligned fibers made at 1000 rpm

Fibras de PCL alineadas fabricadas a 1000 rpm. Imagen: Nanoscience Instruments.

Capacidades de Fluidnatek en el desarrollo de nanofibras para interfaces de implantes

Para convertir los hallazgos preclínicos en aplicaciones biomédicas prácticas se necesitan plataformas de fabricación reproducibles que permitan controlar la morfología y la alineación de las fibras, así como la composición de los polímeros.

Fluidnatek ofrece sistemas de electrospinning diseñados para:

  • Control preciso de la mezcla de polímeros (por ejemplo, proporciones de PCL/PEG)
  • Fabricación de membranas de nanofibras alineadas
  • Control reproducible del diámetro y la morfología de la fibra
  • Desarrollo de capas de interfaz fibrosas degradables

Estas plataformas permiten a los equipos de investigación reproducir y ampliar configuraciones experimentales similares a las descritas por Ren et al., lo que facilita la realización de estudios sistemáticos sobre la integración entre implantes y tejidos y la modulación inmunológica.

Para obtener más información sobre las plataformas de electrospinning para la investigación biomédica, visite: https://fluidnatek.com/electrospinning-machines/

Conclusión: Hacia interfaces de implantes inmunomoduladoras

Las fibras electrohiladas, utilizadas como capas interfaciales en implantes, representan una evolución estratégica en la ingeniería de superficies biomédicas. En lugar de actuar únicamente como recubrimientos estructurales pasivos, estas membranas de nanofibras pueden influir activamente en las respuestas inmunitarias iniciales y en la posterior remodelación tisular.

El estudio de Ren et al. demuestra que ajustar la hidrofilia mediante mezclas de PCL/PEG modula la expresión génica de los macrófagos y reduce la formación de adherencias en un modelo de lesión tendinosa en ratas. El aumento del contenido de PEG se correlacionó con una reducción de la señalización inflamatoria, una mayor polarización de tipo M2 y un menor número de adherencias postoperatorias. Además, las proporciones más elevadas de PEG se asociaron con cambios estructurales compatibles con una degradación más rápida, lo que podría facilitar la separación de los tejidos en la interfaz.

Estos hallazgos refuerzan la idea de que la química de la superficie y la arquitectura a nanoescala son factores determinantes fundamentales para el rendimiento de los implantes. La investigación continuada sobre las capas inerfaciales de nanofibras electrohiladas podría impulsar el desarrollo de implantes biomédicos de última generación diseñados no solo para cumplir una función mecánica, sino también para lograr una integración biológica precisa.

Referencias

Ren, Y., et al. (2023). Electrospun fibers as implant interface layer. ElectrospinTech. Extraído de http://electrospintech.com/implantinterface.html

Zhang, X., Liu, L., Wang, Y., & Chen, H. (2021). Electrospun nanofiber scaffolds in regenerative medicine. Acta Biomaterialia, 134, 123–140. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.04.010

Li, Q., Yang, J., Zhao, Y., & Wang, L. (2020). Electrospun nanofibers as implant coatings for tissue regeneration. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 108(9), 1834–1845.

Biomedical

Ingeniería tisular: Introducción general a los scaffolds regenerativos electrohilados

Posted on by Vicente Zaragozá
Electrospun Regenerative Scaffolds
13
Feb

Introducción: La regeneración tisular como piedra angular de la medicina moderna

La regeneración tisular se ha convertido en uno de los paradigmas más transformadores de la medicina moderna, ya que ofrece una vía para reparar o sustituir tejidos y órganos dañados por traumatismos, enfermedades degenerativas o intervenciones quirúrgicas. En lugar de depender únicamente de trasplantes o prótesis, la medicina regenerativa aprovecha los mecanismos de curación endógenos, con el apoyo de biomateriales que actúan como andamios diseñados para facilitar el crecimiento celular y la integración funcional de los tejidos. Un elemento central de este esfuerzo es el concepto de scaffold regenerativo electrohilado, una estructura tridimensional diseñada para favorecer la adhesión, migración, proliferación y diferenciación celular. Estos scaffolds no solo proporcionan soporte físico, sino que también replican las señales bioquímicas de la matriz extracelular (MEC).

Entre todas las tecnologías disponibles para la fabricación de scaffolds, el electrospinning se ha convertido en una de las principales, ya que permite crear matrices nanofibrosas que imitan fielmente la arquitectura fibrosa de los tejidos nativos. El resultado es una plataforma con un control sin igual sobre el tamaño, la orientación y la porosidad de las fibras, así como sobre la incorporación de bioactivos.

El scaffold regenerativo electrohilado representa una fusión entre la ciencia de los materiales, la nanotecnología y la ingeniería biomédica. Su importancia sigue creciendo a medida que los investigadores y los médicos buscan soluciones biomiméticas, biodegradables y funcionales para necesidades médicas complejas, desde el cuidado de heridas hasta la regeneración ósea, vascular y neural.

¿Qué son los scaffolds regenerativos y por qué destaca el electrospinning?

Un scaffold regenerativo puede definirse como una matriz de soporte que facilita el crecimiento de tejido nuevo al proporcionar un entorno temporal en el que las células pueden adherirse, proliferar, diferenciarse y, finalmente, remodelar la matriz para convertirla en tejido nativo funcional. Para garantizar su eficacia funcional, estos andamios deben cumplir requisitos rigurosos:

  • Biocompatibilidad para evitar el rechazo o la inflamación.
  • Biodegradabilidad, con tasas de degradación que coinciden con el crecimiento de los tejidos.
  • Porosidad y arquitectura de fibra ajustables para permitir la infiltración celular y el flujo de nutrientes.
  • Estabilidad mecánica para soportar tensiones en el tejido diana.
  • Bioactividad, lograda mediante la funcionalización con péptidos, proteínas o factores de crecimiento.

Los métodos de fabricación tradicionales (por ejemplo, la liofilización o la separación de fases) pueden lograr algunas de estas características, pero a menudo carecen de precisión. Por el contrario, el electrospinning permite la producción de scaffolds de nanofibras con diámetros de entre ~50 nm y 10-20 μm, lo que ofrece una morfología muy similar a la de la MEC.

Las ventajas del electrospinning para la ingeniería de tejidos incluyen:

  • Escalabilidad: desde sistemas de una sola aguja a escala de laboratorio hasta plataformas industriales multichorro y de superficie libre.
  • Versatilidad de materiales: polímeros naturales, sintéticos e híbridos.
  • Personalización: Control de la alineación de las fibras, las estructuras gradientes o los scaffolds multicapa.
  • Funcionalización de superficies: Capacidad para incorporar factores de crecimiento, antimicrobianos o nanopartículas.

Esta versatilidad sitúa a los scaffolds regenerativos electrohilados como la plataforma más prometedora para la ingeniería tisular de próxima generación.

Materiales y estrategias de diseño para scaffolds de tejido electrohilados

Los escaffolds regenerativos electrohilados pueden fabricarse a partir de una amplia gama de polímeros naturales y sintéticos, así como de mezclas compuestas que optimizan propiedades específicas.

  • Polímeros naturales: el colágeno, la gelatina, la fibroína de seda, el ácido hialurónico y el quitosano ofrecen biocompatibilidad intrínseca y favorecen la adhesión celular y la señalización.
  • Polímeros sintéticos: La policaprolactona (PCL), el ácido poliláctico (PLA), el ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA) y el poliuretano proporcionan propiedades mecánicas predecibles y una biodegradabilidad ajustable.
  • Sistemas mixtos o compuestos: los scaffolds híbridos combinan las ventajas de ambas categorías. Por ejemplo, los scaffolds de colágeno-PCL integran la bioactividad del colágeno con la durabilidad del PCL.

Nanofibras de colágeno-PCL para la regeneración ósea o cutánea

Las nanofibras híbridas de colágeno-PCL electrohiladas representan uno de los sistemas más ampliamente investigados.

Su nanoestructura imita fielmente la MEC nativa, lo que favorece la diferenciación osteogénica en modelos óseos o acelera la reepitelización en la regeneración cutánea. Al ajustar la proporción de colágeno y PCL, los investigadores pueden ajustar con precisión la resistencia mecánica, la porosidad y la cinética de degradación para satisfacer requisitos clínicos específicos.

Scaffolds para la orientación nerviosa y la cicatrización de heridas

Las fibras electrohiladas alineadas son especialmente eficaces para guiar el crecimiento de las neuritas en la regeneración nerviosa. Estos scaffolds actúan como conductos que no solo proporcionan orientación física, sino que también transmiten señales bioquímicas. Del mismo modo, las matrices electrohiladas para la cicatrización de heridas pueden incorporar agentes antimicrobianos, factores de crecimiento o nanopartículas liberadoras de oxígeno para acelerar la recuperación en heridas complejas.

Estrategias avanzadas de diseño

Entre las innovaciones recientes se incluyen:

  • Nanofibras con estructura núcleo-cubierta para la liberación sostenida de fármacos.
  • Scaffolds macroporosos obtenidos mediante la combinación de electrospinning con impresión 3D o lixiviación con sal.
  • Scaffolds con gradiente con composición u orientación de las fibras variables, que imitan las interfaces tisulares, como las uniones entre tendones y huesos.

Estas estrategias de diseño acercan los scaffolds regenerativos electrohilados a la aplicación clínica al abordar los retos que plantean la infiltración celular, la vascularización y la integración a largo plazo.

comparison tendon

Comparación entre el ECM del tendón natural [Youngstrom DW et al 2013] y el haz de nanofibras electrohiladas, que muestran una clara similitud física.

Aplicaciones biomédicas de los scaffolds electrohilados

Los scaffolds regenerativos electrohilados han demostrado su potencial en una amplia gama de campos biomédicos:

  • Ingeniería de tejido óseo: Promoción de la osteoconductividad y el crecimiento vascular.
  • Reparación de cartílagos y tendones: refuerzo de estructuras portantes con nanofibras alineadas.
  • Injertos vasculares: proporcionan superficies de endotelización en vasos de pequeño diámetro.
  • Reparación neural: guía para el recrecimiento axonal en lesiones de nervios periféricos.
  • Curación de la piel y las heridas: Actúan como apósitos que previenen las infecciones y estimulan la cicatrización.
  • Regeneración dental y periodontal: Actúan como membranas bioactivas.
  • Cardiac and skeletal muscle regeneration: Mimicking anisotropic fiber orientation for contractile tissues.

Sugerencia de enlace interno: Más información sobre las soluciones de medicina regenerativa de Fluidnatek.

Referencias externas: Ingeniería de tejidos, parte A, Biomateriales, Ciencia e ingeniería de biomateriales de la ACS.

Estrategias de funcionalización: más allá del soporte estructural

Si bien la biomimética estructural es esencial, los scaffolds regenerativos avanzados también requieren biofuncionalización para influir activamente en la reparación de los tejidos.

Incorporación de factores de crecimiento

Las nanofibras electrohiladas pueden encapsular factores de crecimiento como el VEGF (factor de crecimiento endotelial vascular) o el BMP-2 (proteína morfogenética ósea 2), liberándolos gradualmente para estimular la angiogénesis o la osteogénesis.

Funcionalización antimicrobiana y antioxidante

En la cicatrización de heridas, los scaffolds pueden integrar nanopartículas de plata, óxido de cobre o antimicrobianos naturales para prevenir infecciones. Los antioxidantes, como la curcumina o las fibras cargadas con vitamina E, protegen a las células del estrés oxidativo.

Fibras electrohiladas cargadas con fármacos

La administración controlada de fármacos a través de scaffolds electrohilados permite el tratamiento localizado de infecciones, cáncer o afecciones inflamatorias, reduciendo los efectos secundarios sistémicos.

Plataformas híbridas con biofabricación

Los enfoques recientes combinan la electrospinning con la bioimpresión 3D o la integración de hidrogeles, lo que da lugar a plataformas híbridas en las que el soporte mecánico y la función biológica se combinan a la perfección.

De la investigación a la clínica: el papel del electrospinning escalable

Uno de los mayores retos de la ingeniería tisular es pasar de la prueba de concepto a escala de laboratorio a la producción de grado clínico. Esto requiere reproducibilidad, escalabilidad y cumplimiento normativo.

Las plataformas de electrospinning de Fluidnatek están diseñadas para esta transición:

  • Control preciso del proceso para la morfología y reproducibilidad de la fibra.
  • Hilado multimaterial que permite obtener scaffolds con gradiente y fibras funcionalizadas.
  • Sistemas cerrados que cumplen con las buenas prácticas de fabricación (GMP).
  • Escalabilidad desde la I+D hasta la producción piloto e industrial.

Más allá del equipamiento, el éxito en la traslación clínica requiere cumplir con los marcos normativos:

Sugerencia de enlace interno: Descubra las plataformas de Fluidnatek para el desarrollo de scaffolds clínicos.

Conclusión

El scaffold regenerativo electrohilado está remodelando el futuro de la ingeniería tisular, combinando biomimética, versatilidad y escalabilidad. Desde la reparación de huesos y cartílagos hasta la regeneración neural y vascular, estos scaffolds proporcionan un entorno similar al de la MEC que favorece el crecimiento y la integración celular. Con estrategias de funcionalización avanzadas, van más allá de las matrices pasivas para convertirse en plataformas terapéuticas bioactivas.

A medida que se acelera la traslación clínica, los sistemas de electrospinning escalables y que cumplen con la normativa, como los desarrollados por Fluidnatek, son esenciales para llevar los descubrimientos de laboratorio a los hospitales y al cuidado de los pacientes.

¿Desea desarrollar scaffolds regenerativos de última generación? Las plataformas de electrospinning de Fluidnatek permiten a los investigadores y a las empresas biomédicas diseñar, funcionalizar y escalar scaffolds de nanofibras similares al ECM para aplicaciones clínicas avanzadas.

Referencias

  1. Owida HA, Safina R, El-Ghobashy M, Elgendy H. Recent Applications of Electrospun Nanofibrous Scaffold in Biomedical Science. Biomedicines. 2022 Feb;10(2):294.
  2. Han S, Kim J, Park J. 3D Electrospun Nanofiber‐Based Scaffolds: From Fabrication to Applications in Tissue Engineering. Int J Polym Sci. 2021;8790143.
  3. Zhang Y, Zhang M, Cheng D, Xu S, Du C, Xie L, Zhao W. Applications of electrospun scaffolds with enlarged pores in tissue engineering. Biomater Sci. 2022 Mar 15;10(6):1423–1447.
  4. Huang T et al. Application and Development of Electrospun Nanofiber Scaffolds for Bone Tissue Engineering. ACS Biomaterials Sci Eng. 2024 Jun.
  5. Ma Y, Zhang W, Chen G. Electrospinning-based bone tissue scaffold construction. Materials & Design. 2025.
  6. Suamte L et al. Electrospun Based Functional Scaffolds for Biomedical Applications. ScienceDirect. 2024.
  7. Fluidnatek. Scaffolds electrohilados para la ingeniería de tejido óseo. 2024.

Para más información, consulte los artículos destacados en Biomaterials and Tissue Engineering Part A.

Biomedical

Case Study — Evonik & VECOLLAN®: Fabricación de nanofibras de colágeno recombinante mediante electrospinning con Fluidnatek® LE-50

Posted on by Vicente Zaragozá
VECOLLAN Fluidnatek
26
Nov

Alternativas veganas en materiales biomédicos

El sector biomédico está experimentando una transición decisiva hacia materiales totalmente libres de componentes animales para la medicina regenerativa, el cuidado avanzado de heridas y las tecnologías cosméticas de alta gama. Este cambio está impulsado no solo por consideraciones éticas, sino también por los crecientes requisitos normativos en materia de trazabilidad total, seguridad frente a patógenos y procesos de fabricación reproducibles.

En este contexto, Evonik ha desarrollado VECOLLAN®, un péptido recombinante similar al colágeno diseñado para aplicaciones biomédicas. VECOLLAN® se produce mediante un proceso escalable y reproducible basado en la fermentación y ofrece una pureza, seguridad y consistencia excepcionales.

En un estudio reciente, Evonik utilizó VECOLLAN® para crear scaffolds elaborados mediante electrospinning con el equipo Fluidnatek® LE-50, una plataforma de electrospinning versátil para la investigación avanzada y la optimización de procesos a escala piloto. El LE-50 permitió una configuración de electrospinning coaxial, colocando VECOLLAN® en el núcleo de la fibra y distribuyendo un agente de reticulación controlado en la capa exterior. Esta configuración aportó tres ventajas clave:

  • Mayor estabilidad mecánica del scaffold.
  • Reducción de la hinchazón en entornos biológicos.
  • Comportamiento de disolución ajustable.

Estas propiedades son fundamentales para los dispositivos implantables, las plataformas de liberación controlada de fármacos y las soluciones de última generación para el cuidado de heridas.

Este caso práctico demuestra cómo los sistemas Fluidnatek® potencian el desarrollo de biomateriales de última generación: consistentes, seguros y sostenibles. La flexibilidad, el control ambiental y la compatibilidad con integraciones de posprocesamiento del LE-50 lo convierten en una herramienta esencial para las organizaciones que buscan acelerar la innovación y, al mismo tiempo, minimizar el riesgo del proceso y el tiempo de comercialización.

👉 Publicación oficial de Evonik: Recombinant collagen platforms

 1.    Krauss C, Montero Mirabet M, Zhang JF, Mader K. Electrospinning of animal-free derived collagen-like protein: Development and characterization of VECOLLAN(R)- nanofibers for biomedical applications. Int J Pharm X. 2025;10:100398.

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Apósito electrospun para heridas: un avance revolucionario en la cicatrización avanzada de heridas

Posted on by Vicente Zaragozá
wound-dressing-electrospinning
02
Jun

El electrospinning se ha convertido en una tecnología transformadora para el diseño de apósitos de última generación para heridas. La capacidad única de esta técnica para producir estructuras basadas en nanofibras que imitan la matriz extracelular (MEC) la ha situado a la vanguardia de la investigación biomédica. Dado que las heridas crónicas, las quemaduras y las lesiones posquirúrgicas requieren cuidados cada vez más sofisticados, los apósitos electrospun ofrecen un potencial inigualable para acelerar la cicatrización, prevenir infecciones y administrar agentes terapéuticos de forma controlada.

El reto clínico en el cuidado de heridas

Las heridas crónicas y agudas siguen siendo una carga clínica significativa, especialmente entre las poblaciones de edad avanzada y las personas con diabetes, enfermedades vasculares o estados de inmunodeficiencia. Los apósitos convencionales a menudo no proporcionan una retención óptima de la humedad, protección mecánica o actividad antimicrobiana. Además, rara vez favorecen las actividades celulares necesarias para la regeneración de los tejidos.

Por el contrario, los sistemas de apósitos para heridas de nanofibras pueden diseñarse para superar estas limitaciones mediante la imitación estructural del tejido nativo, la carga funcional con compuestos bioactivos y la liberación controlada de fármacos. El creciente número de investigaciones e innovaciones en el campo del electrospinning biomédico pone de relieve la urgente necesidad de materiales avanzados para el tratamiento de heridas.

human skin wound

Imagen de una herida en la piel humana.

Beneficios de las nanofibras electrospun para el cuidado de heridas

El electrospinning permite la producción de fibras continuas con diámetros que van desde decenas de nanómetros hasta unos pocos micrómetros, lo que ofrece varias ventajas biomédicas:

Imitación de la matriz extracelular (MEC)

La arquitectura fibrosa de las mallas electrospun se asemeja mucho a la MEC, lo que proporciona un entorno favorable para la adhesión, proliferación y diferenciación celular. Esto promueve una reepitelización eficaz y la formación de tejido de granulación.

Porosidad ajustable y control de la humedad

Mediante el ajuste de parámetros como el voltaje, el caudal y la concentración de polímeros, se puede ajustar con precisión la porosidad de la membrana electrospun. Esto facilita el intercambio de gases y evita la infiltración bacteriana, lo cual es vital para la cicatrización de las heridas.

Funcionalización con agentes bioactivos

Los armazones de nanofibras pueden funcionalizarse con agentes antimicrobianos, factores de crecimiento y fármacos antiinflamatorios, lo que permite obtener fibras electrohiladas cargadas de fármacos que participan activamente en el proceso de cicatrización en lugar de actuar como barreras pasivas.

Adaptabilidad mecánica

Las mallas electrohiladas pueden diseñarse con una elasticidad y resistencia adecuadas para diversas zonas anatómicas, desde las articulaciones hasta los puntos de presión, lo que mejora la comodidad y el cumplimiento del paciente.

Sistemas poliméricos y estrategias de funcionalización

La elección de los polímeros influye significativamente en las propiedades y la funcionalidad de los apósitos electrohilados para heridas. Se emplean tanto polímeros sintéticos como naturales, a menudo en mezclas para equilibrar la biocompatibilidad, la degradabilidad y el rendimiento mecánico.

Polímeros sintéticos para la integridad estructural

Polímeros como la policaprolactona (PCL), el ácido poliláctico (PLA) y el poliuretano (PU) se utilizan con frecuencia debido a su robustez mecánica y procesabilidad. Estos materiales garantizan que el soporte mantenga su integridad estructural a lo largo del tiempo.

Biopolímeros para el efecto antimicrobiano y la bioactividad

Los polímeros naturales, como el colágeno, la gelatina, el chitosán y el ácido hialurónico, ofrecen una bioactividad inherente. Los sistemas de apósitos para heridas de biopolímeros aprovechan estos materiales para introducir propiedades antimicrobianas y hemostáticas.

Por ejemplo, el chitosán es ampliamente reconocido por sus propiedades antimicrobianas y se ha incorporado a matrices nanofibrosas para mejorar la eficacia de la cicatrización de heridas. Fuente: PubMed.

Administración de fármacos y capacidades bioactivas

El electrospinning facilita la liberación controlada de fármacos al incorporarlos dentro o en la superficie de las nanofibras. Este modo de administración garantiza una liberación sostenida en la zona de la herida, lo que mejora los resultados terapéuticos y reduce los efectos secundarios sistémicos.

Cinética de liberación y diseño de la porosidad

Mediante la modulación de la composición del polímero y la morfología de la fibra, los investigadores pueden personalizar los perfiles de liberación, desde la liberación rápida hasta la liberación prolongada durante varios días o semanas. El diseño de la porosidad desempeña un papel fundamental en la mediación de este proceso y puede optimizarse para diferentes tipos y etapas de heridas.

Sistemas multifármaco y en capas

Las configuraciones avanzadas, como las nanofibras de núcleo-cubierta, las mallas multicapa y el hilado coaxial, permiten la incorporación de múltiples fármacos con cinética de liberación escalonada. Esto es especialmente valioso en el tratamiento de heridas infectadas o que requieren agentes antimicrobianos y regenerativos.

Algunos ejemplos son las mallas electrohiladas con nanopartículas de plata para obtener efectos antibacterianos junto con el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) para la regeneración de tejidos. Fuente: ScienceDirect.

Vascular endothelial growth factor A (VEGF A) protein molecule

Molécula de proteína del factor de crecimiento endotelial vascular A (VEGF A). Representación esquemática combinada con superficies semitransparentes.

Potencial clínico y perspectivas futuras

La traslación del electrospinning para aplicaciones biomédicas del laboratorio a la práctica clínica se está acelerando. Varios estudios preclínicos y ensayos clínicos en fase inicial destacan los prometedores resultados de los armazones para la cicatrización de heridas basados en materiales electrohilados.

Consideraciones normativas

A pesar de las promesas, persisten los obstáculos normativos. Las técnicas de esterilización, la reproducibilidad de la arquitectura de las fibras y la escalabilidad para la producción en masa son retos clave. Sin embargo, plataformas como los sistemas de electrospinning Fluidnatek están diseñadas para cumplir los requisitos de las buenas prácticas de fabricación (GMP), lo que facilita el camino hacia la comercialización.

Apósitos personalizados e inteligentes

Las tendencias futuras apuntan hacia soluciones personalizadas para el cuidado de heridas, que integran biosensores para la monitorización en tiempo real, la liberación de fármacos en respuesta a estímulos y el diseño asistido por IA de los parámetros de los implantes basados en la morfología de la herida.

La investigación innovadora en biomateriales para la cicatrización de heridas aprovecha cada vez más el aprendizaje automático y el análisis de big data para ajustar las propiedades de los materiales para una terapia individualizada.

Conclusión: De la investigación a la aplicación clínica

Los apósitos electrospun están transformando el panorama del tratamiento de heridas. Su combinación única de estructura biomimética, bioactividad y versatilidad los convierte en candidatos ideales para una amplia gama de aplicaciones clínicas, desde úlceras diabéticas hasta lesiones de guerra.

A medida que avanza el campo, la sinergia entre la ciencia de los materiales, la bioingeniería y la práctica médica impulsará el desarrollo de soluciones aún más eficaces.

¿Está explorando materiales avanzados para el cuidado de heridas? Descubra cómo las plataformas electrospinning de Fluidnatek ayudan a diseñar, probar y escalar apósitos biomédicos de nanofibras adaptados a sus necesidades de investigación o de producto. Explore nuestras soluciones biomédicas de electrospinning.

Referencias

  1. Chouhan, D., & Mandal, B. B. Silk biomaterials in wound healing and skin regeneration therapeutics: From bench to bedside. Acta Biomaterialia, 2020, 103, 24–51. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.11.050
  2. Boateng, J. S., Matthews, K. H., Stevens, H. N. E., & Eccleston, G. M. Wound healing dressings and drug delivery systems: A review. Journal of Pharmaceutical Sciences, 2008, 97(8), 2892–2923. DOI: 10.1002/jps.21210
  3. Zhang, Y. Z., Venugopal, J., Huang, Z. M., Lim, C. T., & Ramakrishna, S. Crosslinking of the electrospun gelatin nanofibers. Polymer, 2006, 47(8), 2911–2917. DOI: 10.1016/j.polymer.2006.02.046
  4. Li, X., Kanjwal, M. A., Lin, L., & Chronakis, I. S. Electrospun polyvinyl-alcohol nanofibers as oral fast-dissolving delivery system of caffeine and riboflavin. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2013, 103, 182–188. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2012.10.023
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  6. Chen, S., Li, R., Li, X., Xie, J. Electrospinning: An enabling nanotechnology platform for drug delivery and regenerative medicine. Advanced Drug Delivery Reviews, 2018, 132, 188–213. DOI: 10.1016/j.addr.2018.07.002
  7. Khorshidi, S., Karkhaneh, A., A review on nanofiber scaffolds for wound healing applications. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2018, 106(9), 2530–2545. DOI: 10.1002/jbm.a.36483
  8. Yarin, A. L. Coaxial electrospinning and emulsion electrospinning of core–shell fibers. Polymer, 2011, 52(9), 2029–2044. DOI: 10.1016/j.polymer.2011.02.042
Biomedical

Detección y diagnóstico del cáncer mediante fibras electrospun

Posted on by Vicente Zaragozá
Cancer detection electrospun fibers
15
May

La detección precoz y el diagnóstico preciso del cáncer siguen siendo retos fundamentales en la sanidad moderna. A pesar de los avances tecnológicos, muchos cánceres siguen diagnosticándose en fases avanzadas, lo que compromete la eficacia del tratamiento y la tasa de supervivencia de los pacientes.

Entre las tecnologías innovadoras que se están desarrollando, las fibras electrohiladas han surgido como materiales revolucionarios para crear biosensores y plataformas de diagnóstico de alta sensibilidad.

Este artículo analiza cómo las nanofibras electrospun están transformando la detección del cáncer gracias a su mayor sensibilidad, especificidad y rapidez de respuesta.

Fibras electrohiladas: Qué son y cómo funcionan

Las fibras electrohiladas, o fibras electrospun, son filamentos ultrafinos producidos mediante una técnica versátil llamada electrospinning, que utiliza fuerzas eléctricas para extraer hilos cargados de soluciones o fundidos de polímeros. Las fibras resultantes suelen tener diámetros que oscilan entre nanómetros y micrómetros, creando materiales con características excepcionales por su parecido con los tejidos humanos, ideales para aplicaciones biomédicas, en particular la biodetección del cáncer.

El proceso de electrospinning implica:

  1. Una solución polimérica cargada en una jeringa con aguja metálica
  2. Una o varias fuentes de alimentación de alta tensión (normalmente de 5 a 30 kV)
  3. Una placa colectora conectada a tierra o cargada negativamente o un mandril giratorio
  4. Control ambiental preciso (temperatura, humedad)

Cuando se aplica tensión, la solución polimérica se carga y, cuando la repulsión electrostática supera la tensión superficial, sale un chorro de la punta de la aguja. A medida que este chorro se desplaza hacia el colector, el disolvente se evapora, dejando tras de sí fibras poliméricas sólidas que forman una malla o membrana no tejida.

Estas nanofibras electrohiladas presentan varias propiedades clave que las hacen excepcionales para la detección del cáncer:

  • Relación superficie-volumen extremadamente alta, que mejora la eficacia de captura de biomarcadores.
  • Porosidad ajustable para interacciones moleculares controladas
  • Diámetro y orientación de la fibra personalizables
  • Capacidad para incorporar materiales funcionales (anticuerpos, enzimas, nanopartículas)
  • Arquitectura tridimensional que imita la matriz extracelular (ECM)

La tecnología de electrospinning de Fluidnatek permite ajustar con precisión el diámetro de la fibra, la porosidad y la química de la superficie, atributos cruciales para crear biosensores eficaces que sean sensibles, rentables y adecuados para las pruebas en el punto de atención.

Aplicaciones de las fibras electrospun en la detección del cancer

La versatilidad de las fibras electrospun ha permitido integrarlas en múltiples plataformas de detección del cáncer. Estas aplicaciones aprovechan las propiedades estructurales y funcionales únicas de las nanofibras para identificar biomarcadores del cáncer con una sensibilidad sin precedentes.

Algunas de estas aplicaciones son:

Scaffolds de nanofibras electrohiladas para la detección de células cancerosas

La detección precoz de las células cancerosas puede mejorar drásticamente la evolución de los pacientes. Los métodos de diagnóstico tradicionales suelen carecer de la sensibilidad necesaria para detectar biomarcadores de baja abundancia en los fluidos corporales. Las nanofibras electrospun abordan esta limitación proporcionando:

  • Una arquitectura tridimensional que imita la matriz extracelular (MEC), favoreciendo la adhesión y el crecimiento celular.
  • La capacidad de ser funcionalizadas con sondas biomoleculares (como anticuerpos o aptámeros) para una alta selectividad hacia marcadores específicos del cáncer

Por ejemplo, los estudios han demostrado que las membranas de nanofibras funcionalizadas con ligandos dirigidos al antígeno de membrana específico de la próstata (PSMA) pueden capturar selectivamente células de cáncer de próstata de poblaciones mixtas. A continuación, estas células capturadas pueden analizarse mediante imágenes de fluorescencia o ensayos moleculares, lo que mejora la velocidad y precisión de la detección en comparación con los métodos convencionales.

Cancer_detection

Imágenes de fluorescencia de biomarcadores de cáncer en sustratos PS electrospun obtenidos mediante un microscopio de fluorescencia invertido (200×). (A) AFP (DyLight 488, verde), (B) CEA (DyLight 405, azul), (C) VEGF (DyLight 649, rojo); (a-c) campo de luz, (d-f) campo de fluorescencia, (g-i) vista de superposición de los dos campos. Wang et al (2013) PLoS ONE 2013; 8(12): e82888.

Estrategias de funcionalización para la detección selectiva

La funcionalización de las membranas electrospun es esencial para la detección selectiva de células cancerosas. Varias técnicas han demostrado su eficacia:

  • Ingeniería química de superficies: Métodos como el tratamiento con plasma, el injerto químico y la deposición capa a capa proporcionan un control preciso de las propiedades de la superficie. Por ejemplo, las membranas modificadas con anticuerpos contra PSMA) muestran una alta especificidad para las células de cáncer de próstata.
  • Detección multiplexada: Los métodos más avanzados integran varios biomarcadores en una sola membrana electrospun, lo que permite la detección simultánea de varios tipos de cáncer. Esta multiplexación es especialmente valiosa cuando los marcadores del cáncer se solapan en distintos tipos de tumor, lo que aumenta la precisión del diagnóstico.

Integración en sistemas microfluídicos

La combinación de nanofibras electrohiladas con chips microfluídicos permite desarrollar dispositivos compactos de diagnóstico capaces de monitorizar el cáncer en tiempo real. Estos sistemas lab-on-a-chip integran el procesamiento de muestras, la detección y el análisis de datos, lo que los hace ideales para aplicaciones en puntos de atención en entornos clínicos o de recursos limitados.

Casos prácticos y avances recientes

Captura de células tumorales circulantes mediante plataformas electrospun

Las células tumorales circulantes (CTC) son células cancerosas que se desprenden de los tumores primarios y pasan al torrente sanguíneo, desempeñando un papel fundamental en la propagación metastásica del cáncer. Su detección y aislamiento ofrecen información valiosa para el diagnóstico precoz, el pronóstico y las estrategias de tratamiento personalizadas. Las mallas de fibra electrospun, en particular cuando se funcionalizan con anticuerpos específicos de tumores (como el anti-EpCAM), han demostrado una notable eficacia en la captura de estas células poco comunes directamente a partir de muestras de sangre.

La arquitectura única de las nanofibras electrohiladas -con una elevada relación superficie-área-volumen, porosidad ajustable y una estructura interconectada en 3D- crea un microentorno óptimo para la captura celular. Estas características permiten una mayor interacción entre las fibras y la sangre que fluye, lo que aumenta la probabilidad de adhesión de CTC.
Estudios recientes han demostrado que las plataformas electrospun bien diseñadas pueden alcanzar tasas de captura superiores al 90%, superando significativamente a los sistemas convencionales de superficie plana o basados en microfluidos. En uno de ellos, publicado por Lab on a Chip por Chen, L., et al. (2017), los investigadores desarrollaron un dispositivo microfluídico integrado con nanofibras electrospun de poli (ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) funcionalizadas con anticuerpos anti-EpCAM.

La elevada superficie y la estructura tridimensional de las nanofibras mejoraron significativamente el contacto entre las células diana y la superficie de captura. La plataforma logró eficacias de captura superiores al 90% para CTC positivas para EpCAM en muestras de sangre enriquecidas. El sistema también mantuvo una alta viabilidad de las células capturadas, lo que permitió realizar análisis posteriores.

La funcionalización desempeña un papel clave en el mecanismo de captura: los anticuerpos o aptámeros inmovilizados en las superficies de las nanofibras se unen selectivamente a los antígenos expresados en las membranas de las CTC. Cuando la sangre fluye a través de la estera fibrosa, las CTC son retenidas selectivamente, mientras que la mayoría de las células sanguíneas normales pasan. Esta especificidad y eficacia hacen que las plataformas electrospun sean muy prometedoras para aplicaciones de biopsia líquida y seguimiento del cáncer en tiempo real.

Aplicaciones en biopsia líquida

La biopsia líquida, una técnica mínimamente invasiva que analiza biomarcadores de la sangre, está transformando el diagnóstico del cáncer. Las fibras electrohiladas mejoran este enfoque al servir de plataformas en fase sólida para capturar células cancerosas raras o exosomas a partir de fluidos complejos.

Un estudio pionero publicado en PLoS ONE por Wang et al. (2013) demostró el uso de sustratos de poliestireno (PS) electrospun para detectar simultáneamente múltiples biomarcadores del cáncer. Los investigadores detectaron con éxito la alfafetoproteína (AFP), el antígeno carcinoembrionario (CEA) y el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) mediante microscopía de fluorescencia en estructuras de nanofibras funcionalizadas, lo que demuestra el potencial de la detección multiplexada del cáncer en una única plataforma.

Sistemas de detección de múltiples biomarcadores

Los recientes avances en electrospinning para la detección del cáncer han permitido desarrollar sistemas capaces de detectar simultáneamente múltiples biomarcadores. Por ejemplo, los investigadores han creado fibras de poliacrilonitrilo (PAN) electrospun funcionalizadas con distintos anticuerpos que pueden detectar marcadores de cáncer de mama como HER2, ER y PR a partir de una sola muestra, lo que permite una subtipificación más precisa de los cánceres de mama.

Nanofibras sensibles inteligentes

Se han incorporado materiales sensibles «inteligentes» a nanofibras electrospun para crear sistemas de detección visual. Un ejemplo notable es el desarrollo de nanofibras poliméricas sensibles al pH que cambian de color en presencia de subproductos metabólicos de células cancerosas, lo que permite su detección a simple vista sin necesidad de equipos sofisticados.

Ventajas de las fibras electrohiladas sobre otras tecnologías de detección del cáncer

Las nanofibras electrohiladas ofrecen varias ventajas significativas sobre las tecnologías convencionales de detección del cáncer:

Mayor sensibilidad y límites de detección más bajos

La elevada relación superficie-volumen de las fibras electrospun aumenta drásticamente la densidad de los elementos de biorreconocimiento, lo que mejora la sensibilidad. Estudios comparativos demuestran que las membranas electrospun superan en varios aspectos a los materiales de diagnóstico tradicionales, como las películas planas o los hidrogeles:

  • Cinética de captura celular más rápida
  • Límites de detección mejorados (hasta concentraciones subnanomolares)
  • Menores requisitos de volumen de muestra
  • Mayor estabilidad mecánica para un uso repetido

Mejora de la especificidad mediante la modificación de la superficie

La superficie de las nanofibras electrospun puede modificarse fácilmente con múltiples elementos de reconocimiento (anticuerpos, aptámeros, polímeros de impresión molecular) para mejorar la especificidad y reducir los falsos positivos. Este enfoque de reconocimiento múltiple ha resultado especialmente eficaz para distinguir entre subtipos de cáncer estrechamente relacionados.

Aplicabilidad en el punto de atención

A diferencia de muchos sistemas convencionales de detección del cáncer que requieren equipos de laboratorio especializados, los biosensores basados en fibras electrospun pueden diseñarse para su uso en el punto de atención. Su naturaleza flexible y portátil los hace adecuados para su uso en clínicas, zonas remotas o incluso sistemas de monitorización domésticos.

Rentabilidad y escalabilidad

El proceso de electrospinning es relativamente sencillo y rentable en comparación con otras técnicas de nanofabricación. El equipo necesario es menos costoso que el de técnicas como la fotolitografía o la litografía por haz de electrones, lo que hace que las tecnologías de nanofibras electrohiladas sean más accesibles para su aplicación generalizada en el diagnóstico del cáncer.

Validación externa y apoyo científico

Una revisión publicada en ACS Applied Materials & Interfaces2 confirma que las plataformas basadas en nanofibras mejoran la sensibilidad de la biodetección al imitar fielmente los microentornos biológicos. Esta validación externa respalda la creciente adopción de las fibras electrospun para el diagnóstico del cáncer de nueva generación.

Retos y perspectivas de futuro de los biosensores electrospun

A pesar de los prometedores avances, deben abordarse varios retos para trasladar los biosensores de fibra electrospun de la investigación de laboratorio a la práctica clínica:

  • Escalabilidad: Garantizar la reproducibilidad de los lotes de producción.
  • Cumplimiento de la normativa: Evaluación exhaustiva de la biocompatibilidad y la toxicidad.
  • Estabilidad a largo plazo: Mantenimiento de la sensibilidad de la membrana durante periodos prolongados

La investigación actual en aplicaciones biomédicas del electrospinning se centra en:

  1. Polímeros inteligentes que responden a interacciones biomoleculares específicas
  2. Electrónica de lectura en tiempo real para la monitorización continua
  3. Análisis de datos basado en IA para mejorar la precisión del diagnóstico
  4. Andamios nanofibrosos biodegradables para la detección del cáncer in vivo
  5. Nanofibras multifuncionales que combinan la detección con la administración de agentes terapéuticos

A medida que maduren estas tecnologías, cabe esperar herramientas de diagnóstico del cáncer basadas en nanofibras electrospun cada vez más sensibles, específicas y fáciles de usar.

Conclusión: El futuro de la detección del cáncer mediante fibras electrospun

Las fibras electrospun representan un enfoque revolucionario para la detección y el diagnóstico del cáncer, ya que ofrecen una sensibilidad, especificidad y versatilidad sin precedentes. Sus propiedades estructurales únicas y su adaptabilidad las convierten en plataformas ideales para desarrollar biosensores de cáncer de nueva generación.

A medida que avance la investigación y progrese la validación clínica, es probable que estas nanofibras electrospun desempeñen un papel cada vez más importante en los esfuerzos de detección precoz del cáncer, transformando potencialmente los resultados de los pacientes gracias a una intervención más temprana.

El desarrollo continuo del electrospinning para la detección del cáncer es un ejemplo de cómo la ciencia de materiales avanzados puede abordar retos sanitarios críticos, salvando la distancia entre la innovación de laboratorio y la aplicación clínica. Al permitir diagnósticos más precoces y precisos -posiblemente incluso antes de que aparezcan los síntomas-, las membranas de electrospinning están llamadas a convertirse en la piedra angular del diagnóstico personalizado del cáncer.

Si su equipo de investigación está explorando las nanofibras electrospun para el desarrollo de biosensores o aplicaciones de diagnóstico del cáncer, póngase en contacto con Fluidnatek para saber cómo nuestras tecnologías avanzadas de electrospinning pueden respaldar sus esfuerzos de investigación y ampliación. Nuestras plataformas de precisión permiten a los investigadores desarrollar soluciones a medida para retos biomédicos complejos, desde la prueba de concepto hasta la escalabilidad comercial.

Referencias

  1. Zhang N, Deng Y, Tai Q, et al. (2012). Electrospun TiO2 Nanofiber-Based Cell Capture Assay for Detecting Circulating Tumor Cells from Colorectal and Gastric Cancer Patients. Advanced Materials. 24(20):2756-2760. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22528884/
  2. Wang X, Wang G, Liu G, et al. (2002). Electrospun Nanofibrous Membranes for Highly Sensitive Optical Sensors. ACS Applied Materials & Interfaces. 8(41):28150-28155. DOI: 10.1021/acsami.6b10269 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/nl020216u
  3. Huang, Z-M., Zhang, Y-Z., Kotaki, M., & Ramakrishna, S. (2003). A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Composites Science and Technology, 63(15), 2223–2253. https://doi.org/10.1016/S0266-3538(03)00178-7
  4. Noh, H., Lee, S. H., & Kim, J. (2020). Recent advances in nanofiber-based biosensors for biomedical applications. Biosensors and Bioelectronics, 148, 111800. https://doi.org/10.1016/j.bios.2019.111800
  5. Liu, Y., et al. (2020). Electrospun nanofibers for sensors and wearable electronics: a review. Materials Today, 41, 168–193. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.08.005
  6. Jiang, Y., et al. (2017). Electrospun nanofiber membranes for efficient cancer cell capture. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(12), 11350–11358. https://doi.org/10.1021/acsami.6b15025
  7. ElectrospinTech. (n.d.). Electrospun Membranes for Cancer Cell Detection. Recuperado de: http://electrospintech.com/cancerdetect.html
  8. Wang, L., et al. (2021). Functional electrospun nanofibers for cancer diagnostics. Advanced Functional Materials, 31(20), 2100212. https://doi.org/10.1002/adfm.202100212
  9. Fluidnatek. (2024). Aplicaciones del electrospinning en ingeniería biomédica. https://www.fluidnatek.com/applications
Biomedical

Estructuras Electrospun para el tratamiento y la reparación ósea: Un gran avance en ingeniería de tejidos óseos

Posted on by Vicente Zaragozá
Electrospun Scaffolds for Bone Tissue
31
Mar

Los dispositivos electrospun para la ingeniería del tejido óseo se han revelado como una solución innovadora para tratar y reparar defectos óseos. Este enfoque innovador combina la ciencia de los materiales avanzados con los principios de la bioingeniería para crear armazones que imitan la matriz extracelular (MEC) natural del tejido óseo, lo que favorece la regeneración y la cicatrización.

¿Qué es el electrospinning y cómo funciona?

El electrospinning es una técnica versátil que utiliza fuerzas eléctricas para producir fibras finas a partir de soluciones o fundidos poliméricos. El proceso consiste en aplicar un alto voltaje a una solución polimérica compuesta por un polímero y al menos un disolvente, que se transforma en fibras ultrafinas debido a la repulsión eléctrica a medida que se desplaza hacia un colector conectado a tierra. Este método permite controlar con precisión el diámetro, la orientación y la composición de las fibras, por lo que resulta ideal para crear estructuras que se asemejen mucho a la estructura del tejido óseo natural.

Aplicaciones de las fibras electrospun en la ingeniería del tejido óseo

Matrices electrospun para la ingeniería del tejido óseo

Los dispositivos electrospun proporcionan un entorno ideal para el crecimiento y la diferenciación de las células óseas. Estos andamiajes ofrecen una elevada relación superficie-área-volumen, porosidad y diversidad composicional, que son esenciales para imitar la matriz extracelular del hueso natural. Los últimos avances han abordado retos como la infiltración celular y la formación de tejidos tridimensionales mediante técnicas innovadoras como los colectores de matriz inclinada afilada con electrodos puntuales.

Nanoestructuras de bio-nanocompuestos electrospun para la ingeniería del tejido óseo

Los soportes de bio-nanocomposites combinan polímeros sintéticos o naturales con materiales inorgánicos bioactivos para mejorar la resistencia mecánica y la osteoconductividad. Por ejemplo, la incorporación de nanopartículas de hidroxiapatita en armazones de PVA/PVP mejora la adhesión celular y la deposición de calcio. Además, los materiales compuestos reforzados con circonio han demostrado una mayor resistencia a la compresión al tiempo que mantienen la citocompatibilidad.

Fibras de vidrio bioactivas submicrónicas electrohiladas para estructuras de tejido óseo

Las fibras de vidrio bioactivas han llamado la atención por su capacidad para unirse al hueso y estimular la angiogénesis. Estas fibras, compuestas de dióxido de silicio, óxido de calcio y pentóxido de fósforo, liberan iones cruciales para la formación ósea. Los estudios han demostrado que los compuestos de vidrio bioactivo-PCL presentan una actividad de la fosfatasa alcalina significativamente superior a la de los soportes que sólo contienen polímeros, lo que indica una mineralización acelerada.

Electrospun scaffolds preparation

Los dispositivos electrospun para la ingeniería del tejido óseo se han revelado como una solución innovadora para tratar y reparar defectos óseos. Este enfoque innovador combina la ciencia de los materiales avanzados con los principios de la bioingeniería para crear armazones que imitan la matriz extracelular (MEC) natural del tejido óseo, lo que favorece la regeneración y la cicatrización.

Ventajas del uso de fibras electrospun para reparar huesos

Las nanofibras electrospun para la regeneración ósea ofrecen varias ventajas sobre los métodos tradicionales de reparación ósea:

  1. Estructura biomimética: Las fibras electrospun imitan fielmente la matriz extracelular natural del tejido óseo, proporcionando un entorno ideal para el crecimiento y la diferenciación celular.
  2. Propiedades a medida: El proceso de electrospinning permite controlar con precisión el diámetro, la orientación y la composición de las fibras, lo que permite crear estructuras con propiedades mecánicas y biológicas optimizadas.
  3. Mayor adhesión y proliferación celular: La elevada relación superficie-volumen de los armazones electrospun favorece la adhesión y el crecimiento celular.
  4. Administración controlada de fármacos: Las fibras electrospun pueden cargarse con factores de crecimiento, antibióticos u otros agentes terapéuticos para su liberación sostenida, mejorando la regeneración ósea y reduciendo los riesgos de infección. Este enfoque ofrece varias ventajas:
    1. Liberación localizada: Los soportes pueden proporcionar una liberación localizada de fármacos directamente en el lugar del defecto óseo, maximizando la eficacia terapéutica.
    2. Perfiles de liberación sostenida: Seleccionando cuidadosamente las combinaciones de polímero-fármaco y las arquitecturas de las fibras, la cinética de liberación puede adaptarse al proceso de cicatrización, desde la inflamación inicial hasta la remodelación ósea a largo plazo.
    3. Liberación de múltiples fármacos: Se pueden incorporar diferentes fármacos en varias poblaciones de fibras o capas dentro del armazón, lo que permite la liberación secuencial o simultánea de múltiples agentes terapéuticos.
    4. Protección de biomoléculas sensibles: La estructura fibrosa puede proteger los factores de crecimiento y otros compuestos delicados de la degradación, preservando su bioactividad.
    5. Reducción de los efectos secundarios sistémicos: La liberación localizada y controlada minimiza la necesidad de altas dosis sistémicas de fármacos, disminuyendo potencialmente los efectos adversos.
    6. Control de infecciones: Los antibióticos pueden incorporarse para crear un entorno antimicrobiano, crucial para prevenir infecciones postoperatorias en procedimientos de reparación ósea.
    7. Efectos sinérgicos: La combinación de la arquitectura del armazón y la administración de fármacos puede actuar de forma sinérgica para promover la infiltración celular, la vascularización y, en última instancia, la regeneración ósea.
  5. Tasas de degradación personalizables: Mediante la selección de materiales adecuados y parámetros de procesamiento de reparación, la tasa de degradación de los armazones electrospun puede adaptarse para que coincida con la tasa de formación de hueso nuevo.

Perspectivas de futuro en la regeneración del tejido óseo

El futuro de los soportes electrospun para la ingeniería del tejido óseo parece prometedor, con varias tendencias emergentes:

  1. Electrospinning multifluido: Las técnicas avanzadas, como los sistemas coaxiales y triaxiales, permiten crear arquitecturas de fibras en capas con agentes bioactivos controlados espacialmente.
  2. Estructuras dinámicas 4D: Se están desarrollando fibras sensibles a la temperatura y al pH que pueden adaptar el tamaño de sus poros tras el implante para acomodar el crecimiento tisular.
  3. Fabricación basada en inteligencia artificial: Se están empleando algoritmos de aprendizaje automático para optimizar los parámetros del proceso y predecir la morfología y el rendimiento mecánico de las estructuras.
  4. Integración con otras tecnologías: La combinación del electrospinning con la impresión 3D, la electrosoldadura por fusión, electrospraying y la microfluídica está abriendo nuevas posibilidades para crear andamiajes complejos y multifuncionales.

La combinación del electrospinning y la impresión 3D o electrospinning por fusión aprovecha los puntos fuertes de ambas técnicas:

  1. Mayor complejidad estructural: la impresión 3D proporciona un control preciso de la macroestructura, mientras que el electrospinning añade capas de nanofibras que imitan la matriz extracelular.
  2. Mejores propiedades mecánicas: La integración da como resultado armazones con una resistencia mecánica adecuada gracias a las estructuras impresas en 3D y una alta porosidad gracias a las fibras electrospun.
  3. Arquitecturas jerárquicas: Este enfoque permite crear estructuras con características multiescala, desde rangos nanométricos hasta milimétricos.
  4. Métodos de fabricación:
    • Electrospinning directo sobre estructuras impresas en 3D
    • Capas alternas de materiales impresos en 3D y electrospun
    • Uso de nanofibras electrospun como componente de tintas de impresión 3D

Conclusión

A medida que avanza la investigación en este campo, los soportes electrospun para la ingeniería del tejido óseo están a punto de revolucionar el tratamiento y la reparación ósea, ofreciendo soluciones personalizadas para defectos óseos complejos y salvando las distancias entre la investigación de laboratorio y la aplicación clínica.

Para saber más sobre los últimos avances en nanofibras electrohiladas para la regeneración ósea, consulte esta completa revisión de ACS Biomaterials Science & Engineering.

¿Le interesa saber cómo la tecnología de electrospinning puede hacer avanzar la ingeniería del tejido óseo? Póngase en contacto con nosotros para explorar soluciones a medida.

Referencias

  1. Bhardwaj, N., & Kundu, S. C. (2010). Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique. Biotechnology Advances, 28(3), 325-347.
  2. Khajavi, R., Abbasipour, M., & Bahador, A. (2016). Electrospun biodegradable nanofibers scaffolds for bone tissue engineering. Journal of Applied Polymer Science, 133(3), 42883.
  3. Langer, R., & Vacanti, J. P. (1993). Tissue engineering. Science, 260(5110), 920-926.
  4. Li, W. J., Laurencin, C. T., Caterson, E. J., Tuan, R. S., & Ko, F. K. (2002). Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold for tissue engineering. Journal of Biomedical Materials Research, 60(4), 613-621.
  5. Pham, Q. P., Sharma, U., & Mikos, A. G. (2006). Electrospinning of polymeric nanofibers for tissue engineering applications: A review. Tissue Engineering, 12(5), 1197-1211.
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  8. Zafar, M., Najeeb, S., Khurshid, Z., Vazirzadeh, M., Zohaib, S., Najeeb, B., & Sefat, F. (2016). Potential of electrospun nanofibers for biomedical and dental applications. Materials, 9(2), 73.
Biomedical

Estructuras celulares: La revolución de la ingeniería biomédica para la regeneración de tejidos

Posted on by Vicente Zaragozá
Cell-Seeded Scaffolds
17
Feb

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.

Cell-Seeded Scaffolds

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 como biodegradabilidad, 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.
Characterization of the 3DPCL-GelMA Scaffold

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

Combinando el electrospinning con el electrospraying se obtienen formas 3D que incorporan células madre directamente en su estructura. Esta técnica mejora la integración celular dentro de los soportes.

Impresión 3D híbrida y electrospinning

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.

histological cross-sections of scaffolds seeded with cells

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

  1. 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
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
Biomedical

De la Ciencia a la Clínica: Implantes Electrospun en la Recuperación de Nervios Periféricos

Posted on by Vicente Zaragozá
Implantes Electrospun en la Recuperación de Nervios Periféricos
19
Dic

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:

  1. Personalización: Se pueden ajustar propiedades físicas como la resistencia mecánica y las tasas de liberación de medicamentos.
  2. Biocompatibilidad: Polímeros sintéticos como el policaprolactona (PCL) y el ácido poliláctico (PLA) son ampliamente utilizados debido a su compatibilidad con sistemas biológicos.
  3. 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.
electrospun material implantation procedure in a rat sciatic nerve crush model.

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:

  1. Ácido poliláctico (PLA): Conocido por su lenta tasa de degradación, el PLA proporciona una estructura robusta pero puede ser frágil.
  2. Policaprolactona (PCL): Ofrece excelente flexibilidad y resistencia, ideal para implantes que requieren maleabilidad.
  3. 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.

Summary of formulation properties

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.

Biomedical

HILOS ELECTROSPUN CARGADOS DE FÁRMACOS DE APLICACIÓN COMO SUTURAS QUIRÚRGICAS ANTIMICROBIANAS

Posted on by Vicente Zaragozá
● Electrospun surgical sutures
03
Jun

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.

Referencias

Pharmaceutics 2024, 16(2), 220

https://doi.org/10.3390/pharmaceutics16020220

Biomedical

Aplicaciones Oftalmológicas del electrospinning

Posted on by unanime@unanimecreativos.com
Ophthalmologic applications of electrospinning
05
Feb

Introducción

En los últimos años, el electrospinning ha despertado mucho interés en el campo biomédico de la oftalmología debido a las posibilidades que ofrece para el tratamiento de diversas patologías que afectan al ojo. Especialmente con la proliferación de biomateriales disponibles para electrospinning.

El electrospinning es una técnica de producción de fibras basada en el uso de potentes campos eléctricos, los cuales se aplican a una disolución formada por uno o más polímeros (y alternativamente otro tipo de materiales también, incluyendo incluso materiales biológicos) y uno o más disolventes. Esta disolución, generalmente contenida en un recipiente tipo jeringa cuando trabajamos a escala laboratorio, sale impulsada por una bomba a través de una aguja o un capilar. En electrospinning, se aplica un alto voltaje a la punta de la aguja, de manera que la acumulación de cargas eléctricas en la superficie de la gota produce un efecto de repulsión eléctrica entre las partículas de la disolución, hasta que finalmente la fuerza eléctrica supera a la tensión superficial de la gota, estirándola hasta generar un jet. A medida que el jet se desplaza hacia el colector, el cual está a voltaje cero o negativo, el disolvente se evapora, generando fibras de polímero que finalmente se depositan sobre el colector.

Las fibras generadas mediante electrospinning pueden variar desde el rango nanométrico y micrométrico según interese en cada aplicación en particular, lo que resulta muy interesante para aplicaciones biomédicas, ya que la adecuada selección del polímero permite crear estructuras fibrilares que por tamaño y disposición se asemejan a la matriz extracelular (ECM). Es posible utilizar diversos biomateriales para electrospinning: biopolímeros, polímeros bioabsorbibles, polímeros no bioabsorbibles, etc, siempre y cuando sean de grado biomédico.

Aplicaciones de electrospinning en oftalmología

La visión es uno de los cinco sentidos primarios del ser humano, por lo que cualquier patología que afecta al sistema ocular tiene un gran impacto en la calidad de vida de las personas. Según un informe de la Organización Mundial de la Salud, al menos 2.200 millones de personas en el mundo sufren patologías relacionadas con la visión [1]. De ellas, se estima que casi 1.000 millones podrían ser evitables o tratables [2].

En este contexto, las fibras generadas a partir de biomateriales para electrospinning ofrecen una serie de ventajas en el desarrollo de nuevas terapias oculares. Las nanofibras ofrecen un área superficial muy alta, lo que resulta ventajoso para aplicaciones de regeneración de tejidos y de liberación controlada de fármacos. Además, la porosidad ajustable de las matrices compuestas por nanofibras favorece el crecimiento y la proliferación celular, además de no interferir con la respiración de los tejidos ni con el intercambio gaseoso.

Principales aplicaciones de electrospinning en oftalmología

  1. Liberación controlada de fármacos

El electrospinning se está empleando para crear matrices de nanofibras en las que se incorporan fármacos y principios activos. La configuración espacial de las nanofibras permite una liberación sostenida y controlada de fármacos en el ojo, de forma muy eficiente. La matriz de nanofibras está basada en biomateriales para electrospinning seleccionados adecuadamente según requiera la aplicación.

Por ejemplo, en el tratamiento del glaucoma, la liberación controlada de fármacos puede reducir la presión intraocular durante un mayor período de tiempo. Por otra parte, si la matriz de nanofibras se carga con agentes antiinflamatorios, se puede tratar de forma más efectiva patologías como la uveítis o la inflamación post operatoria. Si se utilizan antibióticos, se pueden tratar las infecciones de la córnea.

  1. Ingeniería de tejidos oculares

Las matrices de nanofibras generadas con biomateriales para electrospinning suponen el soporte ideal para la ingeniería de tejidos oculares debido a su semejanza con la matriz extracelular, de manera que favorecen la adhesión y proliferación celular, así como la regeneración de tejidos dañados en el ojo. Estas matrices de nanofibras pueden sustituir a tejido de la córnea que ha sido dañado, así como contribuir a la regeneración de los nervios retinal y óptico.

  1. Dispositivos médicos oculares

Los dispositivos médicos oculares, tales como lentes intraoculares, implantes de córnea artificial, o incluso las lentillas, pueden beneficiarse de la posibilidad de depositar una fina capa de nanofibras sobre ellos, o alrededor de ellos. De esta manera, esa capa de nanofibras actuará como interfase entre el dispositivo médico y el ojo, estimulando el crecimiento de células propias alrededor del dispositivo, lo que permite aumentar su biocompatibilidad y con ello reducir la posibilidad de rechazo. En dispositivos intraoculares, esta interfase de nanofibras y la posterior proliferación celular también ayuda a fijar mejor el implante dentro del ojo.

Conclusiones

El electrospinning es una técnica muy versátil que tiene numerosas aplicaciones en el campo de la oftalmología debido a la capacidad que tiene de controlar las características de las nanofibras que se obtienen. Estas aplicaciones están en constante evolución y mejora gracias a los nuevos biomateriales para electrospinning cada vez más disponibles. Los avances en electrospinning y sus aplicaciones en oftalmología van a permitir a investigadores y médicos disponer de una potente herramienta que mejore la calidad de vida de las personas con patologías oculares.

Referencias

[1] D. Sakpal et al., “Recent advancements in polymeric nanofibers for ophthalmic drug delivery

and ophthalmic tissue engineering,” in Biomaterials Advances 141 (2022) 213124.

[2] D. Mishra et al., “Ocular application of electrospun materials for drug delivery and cellular

therapies,” in Drug Discovery Today vol. 28, num. 9, 2023.

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