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
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