Impresión 3D de prótesis de menisco a base de hidrogel sintetizado con nanopartículas de plata (Ag NPs), ácido hialurónico y colágeno

Abstract

En los últimos años se han realizado estudios sobre bio-tintas que pueden ser utilizadas por la tecnología de impresión 3D para producir tejidos artificiales para ser implantados en seres humanos. Algunos tipos de tejidos, como el cartílago y el menisco tienen poco o ningún suministro de sangre y no pueden curarse si están dañados. El menisco es una pieza de tejido fibrocartilaginoso en forma de cuña que actúa como un "cojín" entre la espinilla y el fémur en la articulación de la rodilla. La deficiencia de menisco a menudo conducirá a osteoartritis (OA) avanzada debido a lesiones en las heridas si no se recibe un tratamiento oportuno. Un desgarro de menisco leve puede curarse mediante la inyección de biomateriales funcionales, suturas o reemplazo parcial de menisco, mientras que las lesiones graves a menudo requieren un trasplante de menisco. Sin embargo, las limitaciones radican en el suministro de donantes, la falta de coincidencia de formas y la compatibilidad de los tejidos. Un enfoque prometedor para solucionar este problema es crear una prótesis de hidrogel 3D para ayudar en la locomoción del paciente. Los hidrogeles se usan comúnmente debido a sus propiedades de ser aceptados por el cuerpo humano como una estructura que contiene agua, fácil transferencia de nutrientes y permeabilidad a sustancias biológicas. Los nanocompuestos, como las nanopartículas de plata (NPs de Ag) son útiles por su espectro antibacteriano, mientras que el colágeno y el ácido hialurónico, aportan propiedades de resistencia mecánica, coagulación y no toxicidad para el ser humano. Por esta razón se llevó a cabo la síntesis de hidrogel adicionando Ag NPs, colágeno y ácido hialurónico. Para el proceso de síntesis del hidrogel se usaron las nanoestructuras de plata y los monómeros: ácido hialurónico, colágeno y quitosano. El hidrogel se sintetiza bajo rigurosa agitación mecánica dispersando la solución de Ag NPs en ácido acético, posteriormente se adiciona el ácido hialurónico, colágeno y quitosano además de PBS (Solución Salina Amortiguada por Fosfatos). Posteriormente se añade la bentonita. Por último, se agregan el crosslinker, el fotoiniciador, el monómero AMPS. Los hidrogeles se utilizaron para construir una pieza modelo de menisco con la impresora 3D, realizando el proceso de polimerización mediante radiación UV para proporcionar rigidez a la pieza. A través de microscopía electrónica de barrido de transmisión (STEM) se obtuvieron micrografías de las Ag NPs y se pudo obtener un histograma mediante software, en el cual se determinó que el valor promedio de tamaño se encuentra en el rango de 25 a 29 nm. Mediante la técnica de DLS se corroboró el tamaño de las nanopartículas, resultando un valor aproximado de 29 nm, valor que coincide con el obtenido mediante microscopía electrónica de barrido. Se realizó también la caracterización de Potencial Z para medir la carga que presentan las nanopartículas, dando como resultado -55.3 mV. Por último, mediante espectroscopía UV-Vis se determinó la formación de plata metálica. Para establecer interacciones entre Colágeno, ácido hialurónico y quitosano, las muestras se caracterizaron por FTIR-ATR encontrando relación de ellas entre 797-3447 cm-1. El Ácido hialurónico tiene interacción con el hidrogel, en especial con el quitosano en 1591 cm-1 . Se obtuvo un factor de hinchamiento (swelling) de 310% en los hidrogeles sintetizados con 1 µg/ml, se comprueba la síntesis de un hidrogel, es decir, que retiene al menos 10% de su peso en agua. En los hidrogeles sintetizados con 1 µg/ml de Ag NPs, se obtuvo un 80% de inhibición para el caldo inoculado con la bacteria Staphylococcus aureus, y un 69.7% de inhibición para el caldo inoculado con la bacteria Escherichia coli (E. coli), teniendo así la capacidad de ser utilizados como biotinta para la impresión 3D de prótesis de menisco gracias a su actividad antimicrobiana debida a la adición de Ag NP’s. La viscosidad del material se obtuvo entre 7kPa*s que garantiza la viscosidad para ser extruido por impresión 3D. La adición de Colágeno y Ácido hialurónico tuvieron gran influencia en la mejora de las propiedades mecánicas Se caracterizaron las propiedades reológicas de viscosidad y los módulos G´ (módulo de elasticidad) y G´´ (módulo de viscosidad). La viscosidad obtenida se encuentra entre 10- 20 kPa, lo cual garantiza la viabilidad en impresión 3D. Se llevó a cabo la impresión de un menisco lateral con el hidrogel constituido de Colágeno/Ácido hialurónico/ y 1 µg/ml de Ag NPs, ya que presentó una viscosidad de 7kPa*s, y fue la muestra que presentó mejor inhibición en las pruebas antimicrobianas.