Smart Biomaterials en la ingeniería de tejidos. Parte I
La ingeniería de tejidos es un campo multidisciplinario donde la medicina, biología, química, ingeniería y la ciencia de los materiales se unen para desarrollar soluciones que restauran, promueven o mejoran la calidad de vida.
Un claro ejemplo de este tipo de desarrollo son los Smart Biomaterials, los cuales persisten importantes desafíos en el sector clínico, ya que el diseño de dichos materiales contienen la capacidad de controlar el comportamiento celular, siendo este un gran desafío e innovación en la actualidad.
Con las actualizaciones en la ingeniería de tejidos, los desarrollos tecnológicos se han centrado en el desarrollo de Smart biomaterials que responden a estímulos externos en el contexto de los sistemas celulares (microambiente celular y tisular). El enfoque para el diseño de Smart Biomaterials para la ingeniería de tejidos se centra en la incorporación de grupos funcionales específicos en los biomateriales, los cuales permiten controlar sus propiedades físicas, químicas y biológicas.
Para la fabricación de estos materiales se consideran cuidadosamente las estrategias enfocadas e inspiradas en la naturaleza y en métodos ortogonales, ya que para su uso en la ingeniería de tejidos el biomaterial debe poseer compatibilidad celular.
El desarrollo de hidrogeles, que son redes poliméricas hidrófilas 3D que se hinchan en un ambiente acuoso, se utilizan en la ingeniería de tejidos como andamios y sistemas de encapsulación celular, y estos materiales pueden modificarse para imitar la matriz extracelular (MEC) del tejido nativo.
La incorporación de grupos funcionales específicos dentro del hidrogel permite el control de propiedades físicas, químicas y biológicas, a menudo introducidas mediante métodos ortogonales basados en clics, debido a su simplicidad, facilidad y eficiencia. Estas modificaciones logran que los materiales puedan responder a estímulos externos, donde realizan o desencadenan una función específica o un cambio físico y químico al interactuar con receptores, enzimas, células u otros estímulos.
La estructura del hidrogel puede articularse usando ya sea métodos de entrecruzamiento irreversibles o reversibles, gracias a estos métodos como lo son el entrecruzamiento reversible mediante entrecruzamiento físico, entrelazamiento de la cadena de polímero inducido térmicamente y el autoensamblaje permite que los hidrogeles experimenten cambios estructurales en respuesta a estímulos externos. Además, la degradación y estabilidad del material pueden depender del grado de unión irreversible y reversible.
Por lo tanto, el material con solamente un método, como lo es el de reticulación irreversible, puede estar limitado en términos del control sobre las propiedades avanzadas requeridas para la biocompatibilidad y función.
Otra funcionalidad generada por los hidrogeles es su uso como armazones celulares, ya que existe la necesidad de que los sistemas se degraden in vivo después de que se complete la integración celular con el tejido vecino. Los sistemas de hidrogel biodegradables suelen utilizar reticulantes escindibles específicos de estímulos, que pueden escindirse mediante hidrólisis, proteólisis o desenredo en respuesta a estímulos.
La investigación de los hidrogeles en la ingeniería de tejidos está presentándose como una línea de investigación de vanguardia innovadora, un claro ejemplo es la investigación realizada por Parratt y su grupo de investigadores, cuyo objetivo fue el estudiar y analizar el efecto de la composición del hidrogel en la diferenciación de las células estromales de la médula ósea humana (hBMSC) en fenotipos de células específicas de zona para la generación de tejido de cartílago articular humano, con modificaciones de aumento de la secreción de glicosaminoglicanos sulfatados (sGAG) y disminución del nivel de colágeno.
Este estudio demuestra la importancia de combinar varios biomateriales, ya que cada uno aporta propiedades específicas para diseñar un material superior, con actividades específicas, un claro ejemplo son los biomateriales de hidrogel que logran estimular actividades celulares como la proliferación, diferenciación, migración y crecimiento celular.
Por otro lado, si no fuera más sorprende lo mencionado anteriormente, los biomateriales inteligentes se han utilizado como tejido pegamento gracias a su capacidad de unir y simultáneamente promover que el tejido se cure por sí mismo mediante la incorporación de grupos reactivos como los grupos basados en dopamina y también grupos directores de células como proteoglicanos, colágenos y fibronectina. Recientemente, en otra investigación Wang y su grupo de investigadores, generaron un pegamento tisular idóneo a base de condroitina que ayuda a dirigir la reparación tisular mejorada. Los grupos funcionales empleados en la investigación fueron de metacrilato y aldehídos, promoviendo la estabilidad mecánica del biomaterial dentro del mismos promoviendo la estabilidad mecánica a través de la fotopolimerización y facilitando la integración y adhesión del tejido a través de una reacción de la base de Schiff con las aminas en la superficie del tejido.
Además, basado en actualizaciones recientes en la ingeniería de tejidos, el diseño de materiales inteligentes para distintas aplicaciones en el ramo clínico puede beneficiarse mediante el empleo de tecnologías de impresión 3D, permitiendo así la fabricación más fácil y reproducible de andamios biomiméticos para promover una mejor formación e integración de tejidos con el postimplante del anfitrión.
Hasta la fecha, las impresoras 3D modernas se han utilizado para fabricar tejidos multicelulares complejos, incluidos injertos óseos funcionales, armazones hepáticos, ovarios y válvulas aórticas.
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