Biomateriales para tratar enfermedades cardiovasculares

Cada vez es más importante el desarrollo de nuevos materiales con características idóneas para el uso cardiovascular, que aseguren un comportamiento adecuado tras ser implantados e interactuar con el cuerpo humano, como es el caso de los implantes vasculares, los cuales sirven como reemplazo de las porciones de los vasos sanguíneos obstruidos que generan disfunciones severas en la acción circulatoria.

Los expertos trabajan en el desarrollo de estos dispositivos con materiales como biopolímeros sintéticos, como orlon (fibra acrílica), nylon (poliamidas), PET (polietilentereftalato o dacrón), PTFE (politetrafluoroetileno), y ePTFE (politetrafluoroetileno expandido). Aunque algunos han tenido una buena aceptación en el mercado para reemplazar vasos de medio y gran diámetro (mayores a 6 mm), se presentan dificultades cuando se emplean en el tratamiento de vasos sanguíneos de pequeño diámetro (igual o menor a 6 mm).

En parte, esto se debe a que los sintéticos conllevan un mayor riesgo de oclusión o cierre en el implante, lo que aumenta la probabilidad de que se formen coágulos de sangre, y se generen fallos o deficiencias en el comportamiento del dispositivo tras ser sometido al bombeo sanguíneo constante. Además, se han reportado reacciones inflamatorias de algunos implantes elaborados con materiales sintéticos tras entrar en contacto con los órganos. Ante esta situación, una alternativa es el uso de biopolímeros de origen natural, como las proteínas de seda.

La seda es un biomaterial proteico que se obtiene de los capullos de los gusanos Bombyx mori, que se aprovechan en la industria serícola colombiana para la producción de hilos con fines textiles. En ese proceso, solo entre el 20% al 30% del peso del capullo llega a transformarse en hilos de primera calidad, mientras que se genera una cantidad importante de residuos fibrosos en los que predomina la fibroína de seda, que es un biopolímero de origen natural capaz de disminuir los efectos adversos, gracias a un conjunto de características físicas y químicas que le proporcionan afinidad y biocompatibilidad con el organismo. 

 

Capullos de seda obtenidos de la producción serícola del Cauca, en Colombia.

 

Estos se aprovechan para la extracción de la fibroína de seda

Además de seleccionar un biomaterial con base en la biocompatibilidad y afinidad con el sistema receptor, se requiere también que posea una morfología o estructura funcional similar a la del tejido que se quiere imitar. Para lograr esto se usan diferentes técnicas de procesamiento, entre ellas, la electrohilatura. Esta técnica permite conformar de manera tridimensional el material, controlar la topografía y rugosidad de la superficie, la porosidad, el tamaño y la forma de los poros.

En el caso de los implantes vasculares, se busca imitar las características de los tejidos de las tres capas o túnicas que componen los vasos sanguíneos. Estas poseen características diferentes en relación con sus propiedades mecánicas, físicas y morfológicas. Revisémoslo en detalle:​

Composición de los vasos sanguíneos 

• Túnica íntima: es la capa más interna que está en contacto directo con el flujo sanguíneo. Está compuesta principalmente por células endoteliales ordenadas, estas son un tipo de célula aplanada que recubre el interior de los vasos sanguíneos formando parte de su pared. Su tarea es proporcionar una superficie antitrombogénica, que reduce el riesgo de formación de trombos; y hemostática, que contribuye al control del sangrado durante una lesión.

• Túnica media: es la capa intermedia, localizada entre la íntima y la adventicia. La componen células musculares lisas, y proteínas como el colágeno y la elastina. Permite la contracción y dilatación del vaso, regulando así el flujo sanguíneo. Esta capa debe soportar las cargas generadas durante las fases de sístole o fase de contracción, y diástole o fase de relajación del corazón.

• Túnica adventicia: es la capa más externa del vaso sanguíneo. Se compone principalmente de fibroblastos, que son células del tejido conjuntivo, y fibras de colágeno, que es una proteína estructural que da firmeza y elasticidad al vaso. Actúa como una capa protectora y permite anclar el vaso a su entorno fisiológico. Soporta mayores esfuerzos mecánicos y entre sus funciones principales está prevenir la ruptura del vaso ante altas presiones.

Implantes para tratar enfermedades cardiovasculares 

La Organización Mundial de la Salud estima que a 2030, cerca de 23,6 millones de personas morirán por alguna condición cardiovascular. El aumento en el diagnóstico de enfermedades, como la trombosis y arterioesclerosis, ha impulsado investigaciones relacionadas con el desarrollo de biomateriales con la capacidad de reemplazar estructuras y tejidos vasculares.

Actualmente los grupos de investigación sobre Nuevos Materiales (GINUMA)  y Dinámica Cardiovascular (GDC) de la Universidad Pontificia Bolivariana, en alianza con Auburn University y la Corporación para el Desarrollo de la Sericultura del Cauca, CORSEDA  trabajan en el desarrollo de implantes de pequeño diámetro para el tratamiento de condiciones cardiocerebrovasculares crónicas.

 

Técnica de electrohilatura para la formación del implante

 

Implante vascular luego del proceso de electrohilatura

En este proyecto los investigadores participantes aprovechamos las ventajas de la electrohilatura, así como las propiedades de la fibroína de seda obtenida a partir de residuos fibrosos, con el objetivo de producir en Colombia un dispositivo médico para el tratamiento de las enfermedades asociadas a los vasos sanguíneos, al tiempo que contribuimos al aprovechamiento de los residuos agroindustriales de la cadena serícola colombiana y aportamos a la sustentabilidad ambiental del país.

Con la participación de investigadores nacionales e internacionales, la comunidad de sericultores de la ciudad de Popayán en el departamento del Cauca, Colombia, y estudiantes universitarios de postgrado y pregrado, como yo, trabajamos en busca de un solo objetivo:  mejorar la calidad de vida de las personas que padecen estas enfermedades.

Conoce aquí por qué se enferma el sistema cardiovascular

Glosario útil para comprender este trabajo: 

• Polímero: según la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, IUPAC, por sus siglas en inglés, son “sustancias compuestas de macromoléculas o moléculas de alta masa molecular, cuyo tamaño se constituye de la repetición de múltiples unidades de moléculas con bajo peso molecular”.

• Biopolímero: la IUPAC lo define como “macromoléculas formadas por organismos vivos, incluidas proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y otros”.

• Biomaterial: de acuerdo con la European Society for Biomaterials (ESB), es “una sustancia o material usado solo o en la fabricación de un aparato médico diseñado para interactuar con los tejidos humanos en el monitoreo de funciones corporales o para tratar alguna condición patológica del cuerpo”.

• Trombosis: según Ashorobi et al, la trombosis “es la formación de un coágulo de sangre dentro de los vasos sanguíneos, generando la obstrucción de forma parcial o total del flujo de sangre”.

• Aterosclerosis: el National Heart, Lung and Blood Institute (NIH) la define como, “una enfermedad en la cual se acumula placa dentro de las arterias, esta placa es compuesta de grasa, colesterol, calcio y otras sustancias que se encuentran en la sangre”.

Conoce a la autora de este escrito y su aporte como joven talento al proyecto de investigación:

Fuentes de consulta:

Asakura, T. (2014). Encyclopedia of Polymeric Nanomaterials. In S. Kobayashi & K. Müllen (Eds.), Encyclopedia of Polymeric Nanomaterials (Issue i). Springer Berlin Heidelberg.

Banik, B. L., & Brown, J. L. (2014). Polymeric Biomaterials in Nanomedicine. In Natural and Synthetic Biomedical Polymers. Elsevier Inc.

Damilolrobia Asho, Muhammad Atifn Ameer, & Roberto Fernandez. (2021, September 9). Thrombosis.

Goins, A., Webb, A. R., & Allen, J. B. (2019). Multi-layer approaches to scaffold-based small diameter vessel engineering: A review. In Materials Science and Engineering C (Vol. 97, pp. 896–912). Elsevier Ltd.

Haider, A., Haider, S., & Kang, I. K. (2018). A comprehensive review summarizing the effect of electrospinning parameters and potential applications of nanofibers in biomedical and biotechnology. Arabian Journal of Chemistry, 11(8), 1165–1188.

Jaramillo-Quiceno, N., Álvarez-López, C., & Restrepo-Osorio, A. (2017). Structural and thermal properties of silk fibroin films obtained from cocoon and waste silk fibers as raw materials. Procedia Engineering, 200, 384–388.

Kam Leong. (n.d.). Biomaterials. Biomaterials. Retrieved December 7, 2021

Nagel B., Dellweg H., Gierasch L.M. (1992). Glossary for chemists of terms used in        biotechnology polymer science (IUPAC Recommendations 1992),” Pure and Applied Chemistry, vol. 64 No 1 pp. 143-168–2289. 

National Heart, L. and B. I. (2020, October). Atherosclerosis.

P. K. R. F. T. S. and U. W. S. A. D. Jenkins. (1996). Glossary of basic terms in polymer science (IUPAC Recommendations 1996),” Pure and Applied Chemistry, vol. 68 No 12 pp. 2288–2289. 

Wnek, G. E., Carr, M. E., Simpson, D. G., & Bowlin, G. L. (2003). Electrospinning of nanofiber fibrinogen structures. Nano Letters, 3(2), 213–216.

Fotos: Divulgación Científica y Comunicaciones UPB