Propiedades y caracterización de biomateriales: desarrollo y aplicación clínica

Propiedades y Caracterización de Biomateriales

Tema 3: (3.1) y (3.2) Propiedades y caracterización de Biomateriales: Demostrar mediante técnicas que biomaterial (scaffold) se puede adherir a la superficie. Está "caracterizado": demostrar que lo hecho al material es verdadera y comprobable.

Fases de Desarrollo

1. Caracterizar el material
2. Fase test: Ver compatibilidad in vitro e in vivo
3. Fase de aplicación clínica: a) Fabricación y comprobación b) Comercialización: vender el biomaterial

Propiedades de los Materiales a Considerar para Desarrollar un Biomaterial

• PROPIEDADES de los materiales a considerar para desarrollar un BIOMATERIAL: MECANICAS FISICAS/QUÍMICAS PRODUCCIÓN ESTÉTICAS ECONÓMICAS

Propiedades Mecánicas de Materiales a Considerar

• Elasticidad: propiedad que tienen los materiales de deformarse, recuperando su forma original una vez eliminado el esfuerzo.
• Plasticidad: capacidad de adquirir deformaciones permanentes sin sufrir ruptura.
• Dureza: un material es duro o es blando dependiendo si otro material puede rayarlo
• Tenacidad/Fragilidad: un material es tenaz si aguanta los golpes sin romperse. un material es frágil si cuando le damos un golpe se rompe

Consideraciones Mecánicas

1. Resistencia a la fuerza elasticidad (utilizar los ensayos de tracción- fundamental).
2. Aumentamos la tensión a una velocidad constante y miras la carga aplicada vs la deformación (gráficas tensión-deformación).
3. Ductilidad: Determinar la capacidad de un material para deformarse sin romperse.
4. Tenacidad:
   • Energía absorbida por un material durante su deformación y ruptura.
   • Energía absorbida por material en campo plástico antes de romperse
   • Área total bajo la curva tensión- deformación.

Propiedades Fisico-Químicas

• Hidrofilicidad: Si tiene afinidad por el agua o no. Se mide por el ángulo de contacto. Miras la tangente cuando la gota toca el material. Cuando el ángulo es mayor a 90 el material es hidrofóbico (células no se adhieren a él). Cuando el ángulo de contacto es menor que 90 el material es hidrofílico (células se adhieren a él). Mayor mojabilidad= mayor energía superficial (mayor superficie para mojar).
• Energía/Carga superficial-
• Rugosidad: Superficies rugosas adhieren mejor a células como bacterias. Se quiere superficie rugosa y superficie con alta mojabilidad. Las superficies hidrofóbicas no se adhieren a las células.

Medición de la Rugosidad

¿Cómo se mide la rugosidad? Propiedades Físicas:

1. Interferometría - utiliza la interferencia de ondas de luz para medir la longitud de onda. Rugosidad media, consigue alta resolución.
2. Atomic Force Microscopy- Registra la topografía de una manera continuada (rastrea la muestra). Proporciona imágenes 3D. Es un instrumento mecánico y óptico. Tiene sonda y punta afilada.
3. (Topografia): TEM/SEM- Sem (Scanning electron microscopy) (Surface image), TEM (Transmission Electron Microscopy) más resolución (50 millones de veces)(Crystal Structure). Ambas utilizan un cañón de electrones que se utiliza para formar imágenes. Nivel nanométrico/ micrométrico. Otra información: composición química, estructura cristalina, y propiedades eléctricas.

Diseño de Biomateriales

• PROPIEDADES de los materiales a considerar: FISICAS/QUÍMICAS

Rugosidad y Mojabilidad

Rugosidad + X Rugosidad Mojabilidad X

• Composición química: Buscar cargas positivas en la superficie y electroquímicamente atraer péptidos (poner cargas). Poner ácidos para poner interacciones débiles (mediante puentes de hidrógeno).Normalmente se suelen poner cargas positivas, las células tienen cargas negativas y se atraen electrostaticamente.
• X-Ray photoelectron spectroscopy: Mides fotones porque algunos electrones al disparar los rayos X, estos electrones saltan a un orbital mayor, creando un fotón.
• Dan Composición elemental
• Entorno Quimico
• Análisis Profundo (analizando monocapas). Infrared light microscopy- Mide vibraciones de átomos, nos da composición y tipos de enlace presentes en la muestra.
• Morfologia

Propiedades a Considerar: Producción

Facilidad de manufactura Procesos de Fabricación Disponibilidad de materiales Componente medioambiental

Propiedades a Considerar: Estéticas

Apariencia Textura Sensibilidad Olor

Propiedades a Considerar: Económicas

Coste del producto Precio del mercado Mantenimiento equipos Reciclaje

Funcionalización de Superficies

3.3- Funcionalización de superficies Create a coating so the surface can be biofunctionalized. Mechanical properties cannot be altered, you alter the surface. Métodos físicos (modificar topografía, hacer superficie rugosa) químicos (inorg y org.) Fisicos: Mejorar Fotografía y aumentar la mojabilidad.

Métodos Físicos Más Usados

• Proyección térmica por plasma (Thermal spraying): recubrir con hidroxiapatita el titanio. La HA se hace tipo plasma. Impacta la superficie del metal fría y se une al mismo por interacción mecánica al enfriarse rápidamente. Ventajas: obtienen rugosidades muy alta, buenas a corto plazo Desventajas: La dificultad en el control de la composición final Cristalida:
• Granallado (blasting): Bombardeo de partículas abrasivas mediante aire comprimido contra la superficie del implante. Normalmente cerámicos. Ventajas: control exacto de rugosidad Desventajas: se quedan partículas en la superficie
• Ataques ácidos: sumergir tu placa de titanio en un medio ácido. Se combina con el "Sandblasting" del método anterior, se hace primero el medio ácido y luego se introduce el "chorreado" del sandblasting. Ventajas: Rápido, sencillo y gran capacidad de industrialización Desventajas: peligrosidad
• Métodos electroquímicos: Introducir rugosidad a la superficie mediante métodos electroquímicos. Metal lo pones donde seria la parte del ánodo. "Anodizar" el metal. Ventajas: Protección o coating se hace en función del voltaje que le apliques ** La Geometría influye en la rugosidad de la superficie.

Métodos Químicos Inorgánicos

Kokubo- Introducir hidroxiapatita para biofuncionalizar la superficie. Tratamiento termoquímico (Introduce Sosa cáustica). Inmersión de fluidos biológicos (con mezcla de titanio se mezcla el calcio), químicamente

1. Trat básico del titanio
2. Se introduce en sol con todos los iones del cuerpo
3. Se mezcla y se forma la hidroxiapatita. (Nucleación de la apatita con el Titanio).

SBF- Soluciones de iones que se tienen en el cuerpo. SBF SBF SBF SBF CF 0 Na- OH Mgl Mgl HCO 500 so PO Cal POJ HCO HOO Amorphous calcium phosphate Q OH OH HO HO OH OH HQ OH HO OH OH HO NON HO -0 TI TI TI TI TI Before soaking in SBF Formation of Ti-OH groups Formation of amorphous Formation of amorphous calcium titanate calcium phosphate Formation of Apatite Modificaciones químicas orgánicas: Introducir algo en la superficie del biomaterial para mimetizar y que se una a la MEC (matriz extracelular). Lo que marca la diferencia es el diseño: Amorphous sodium titanate HO Cal POZ PO -Apatite Ti-OH groups Amorphous calcium titanate Na:OTTOTINTO Linear peptides Natural ECM proteins PROTEINA Ciclic peptides Mixture of linear peptides SROD RRSR RGD RRSR FRAGMENTO DE PROTEINA ear multiple peptide motifs Engineered protein fragments RSRKOODGR - av@1 D RSRID KRSP KRSR avB1 Branched multiple peptides - Peptidomimetics

Tipos de Uniones

1. Físicas: basadas en interacciones No covalentes
2. Covalente enlace fuerte no interacción O e H
3. Bioafinidad: algo reconoce a algo afín.

Nanotecnología y Nanomedicina

3.4->Nanotecnología y Nanomedicina- Nanotec- Utilización de materiales nanométricos aplicados a la tecnología para mejorar la salud (nanomedicina es parte de la nanotecnología). Drug Delivery- Liberación controlada de fármacos ¿Con que se recubren?

• Polímeros biodegradables

Campos de Aplicación de la Nanomedicina

Nanomedicina-> (hay tres campos de aplicación)

1. Sist. de Diagnóstico: Nanopartículas metálicas-> Nanosistemas de imagen.
2. Liberación controlada de fármacos (en que se envuelve)
   1. Liposomas- Tipos de nanopartículas que se degradan solas. (dentro es polar). (Doxil). Bicapa lipídica se recubre con PEG para evitar el desparramo de medicamento a través del torrente sanguíneo.
   2. Micelas- monocapa polar
   3. Polímeros biodegradables- se dividen en biodegradables y no biodegradables. Los biodegradables tienen enlaces éster que hacen que se degraden de manera sencilla. Dejan ir un componente ácido que hay que tomar en cuenta, puede afectar el pH. RSRK PEPTIDO LINEAL -ULc barcelona DRIVING VALUES FORWARD, TEMA 3: DISEÑO DE BIOMATERIALES

Clasificación de los Polímeros

• CLASIFICACIÓN de los POLÍMEROS Polietileno (PE) Polipropileno (PP) Polimetilmetacrilato (PMMA) Tetrafluoroetileno (PTFE) Poliuretano (PU) Polyethylene Terephthalate (PET) Polidimetilsiloxano (PDMS) Cloruro de Polivinilo (PVC) Polyetheretherketone (PEEK) NO DEGRADABLES BIOMATERIALES POLIMÉRICOS Colágeno Quitosano Celulosa Alginato DEGRADABLES PLA PGA PLGA Caprolactona PHVB

1. Dendrímeros- Hay tres generaciones que van creciendo en forma de árbol. Lo que quieres encapsular va dentro de cada "cápsula".
2. Nanopartículas- Nanocápsulas (matriz que envuelve), nanoesfera (matriz que redondea, no es tan cerrada y está más dispersa).
3. Quatsomes- Liposomas hechas de esteroles con surfactantes (moléculas con carga, pueden ser positivas o negativas). Si se pone surfactante con carga positiva el entrapment será mayor.

Química de Péptidos

Química de Péptidos: Fmoc- (grupo protector) se desprotege con Base, Terbutilo- se desprotege con ácidos. Se hace para que no haya mezclas de Peptidos. Si todas las R 's siempre van protegidas con Terbutilo, y las aminas también (Fmoc). Para sintetizar esta química de péptidos. AA que no reaccionan: Gly, Pro, Fenilalanina (grupos con electrones dispuestos a dar). Si el NH terminal cicla con el ácido normal (no el de la R, esta debe estar protegida) Introduce AA cubierto en NH2 con Fmoc, luego se desprotege, este se une al carbonilo del siguiente, al final todas se desprotegen y terminas uniendo cadenas de AA.

Aplicaciones de Nanomedicina

Aplicaciones de nanomedicina: ->En enfermedades raras -> Ej Lysosomal Storage Disease: -> Se le inyecta la enzima que no tiene la persona. Consecuencias:

• Limitada eficacia en etapas avanzadas
• Poor biodistribution
• Baja disponibilidad
• Inmunogenicidad alta
• Caro La nanotecnología debe hacer bien la nanocápsula para que haya (en este caso) para que haya una cantidad adecuada de fármaco. PEG se utiliza como coat de nanopartículas (para que no se degrade por el torrente sanguíneo).

Determinación de Biocompatibilidad y Bioactividad

3.5- Determinación de Biocompatibilidad y Bioactividad

Características Biológicas

1. Microbalanza de Cristal de Cuarzo: Se basa en propiedades piezoeléctricas del cuarzo. Se vio que fijando dos electrodos al quarzo, produce tensiones mecánicas externas, haciendo vibrar la muestra y produce una mayor sensibilidad y se ve que átomos tienes en la superficie. Objetivo: Ver las cantidades de material depositado en una superficie
2. Fluorescencia- Tipo de luminiscencia que caracteriza sustancias capaces de absorber energía y emitir esa energía en forma diferente. Importancia: Permiten detectar la presencia y localización de cantidades muy pequeñas de moléculas en una muestra biológica. Ejemplo: utilización de Fluoróforos:sustancia capaz de absorber energía y excitarse a diferentes longitudes de onda emitiendo fluorescencia. * (solo las cadenas lineales pueden crear un empaquetamiento?) Ultra high molecular weight- se pueden empaquetar moléculas y sus cadenas porque no tienen impedimento estérico, al juntarse se empaquetan y tienen interacciones. Esto hace que al juntarse las capas tienen mucho empaquetamiento y hay mucho "peso".

Diferencia entre Quantum Dots y Fluoróforos

Diferencia entre quantum dots y Fluoróforos: Quantum dots: Nanopartículas, semiconductoras, [2 nm-10 nm], Luminiscentes (se ven mejor), Brillan más, tiempo de vida más largo, más fáciles de hacer el targeting Fluoróforos: Orgánicos

Biocompatibilidad In Vivo

In vivo: determinar la biocompatibilidad

1. Nivel de adhesión molecular: DAPI, adhesión de memoria.
2. Morfología Celular: Es como se pega la célula al área de contacto, pero debe pegarse con área. Debe expandirse la célula en tu biomaterial.
3. Puntos (Adhesiones) focales: Relación entre célula y MEC, esto se mide con vinculina. Si no hay señal, no hay unión con las proteínas de la MEC.
4. Proliferación: Que se peguen las células al cabo de ciertos días después de la adhesión celular. Se mide en ensayo con Alamar Blue.
5. Diferenciación (En caso de que interese): Se mide con un ensayo llamado ARS staining. Lo que mide son depósitos de calcio. Osteoblastos forman colágeno, que crean fosfatos de calcio y luego mide el nivel de calcio presente en la mineralización.