Preparación de soportes biomateriales con estructuras fibrilares obtenidas mediante electro-hilatura

Abstract

The fabrication of scaffolds materials with the ability to mimic the structural and functional properties of extracellular matrix is one of the most important points of interest into the tissue engineering field. Among the several techniques developed to fabricate tissue scaffolds, nanotechnology based methods such as electrospinning have demonstrated to play a relevant role in mimicking the properties of proteins fibers of the extracellular matrices. The aim of this thesis is focused on the fabrication of protein based nanofibers (i.e. gelatin and collagen) to prepare artificial scaffolds with high biocompatibility using the electrospinning technique, mainly based on the use of electric force. Firstly, the work was concentrated on the study of the effect of the operational and chemical parameters controlling the electrospinning process on the morphology and size of the obtained nanofibers. As a result, the optimal process parameters to obtain nanofibers of predefined properties were established. The results show that variations in the operational parameters (voltage, flow rate and distance between needle and collector) into the stable work range have not significant influence on the properties of electrospun nanofibers. By contrast, it was demonstrate that the solution parameters (polymer type, concentration, etc.) as well as the collector conductivity have a significant effect on the electrospinning process determining the final properties of the nanofibers. Secondly, the study was concentrated in the search of alternative solvents able to keep the integrity of the proteins, that is, avoiding the denaturation and degradation of the polymer chains. With this objective, a comprehensive research about the fabrication of electrospun nanofibers at room temperature from mixtures of gelatin/acetic acid/water benign system was carried out. The electrospinnability limits of this system were established and the results were modeled from a complete analysis of the rheological system properties, in order to allow the prediction of the final fiber properties based on the solution composition. Alternatively, a ternary mixture of PBS/Water/Ethanol was proposed as a new benign solvent for the electrospinning of three different gelatin materials. In this case, the effect of the type of gelatin on the electrospinninability and morphology of the nanofibers has also been studied based on their different origin and extraction process. Thirdly, the stability of the electrospun nanofibers was addressed taking into account its importance regarding a potential application in tissue engineering as a scaffold. In this work, several application methods of glutaraldehyde as crosslinker were analyzed along as their influence on the morphology and size of electrospun fibers. In addition, a direct method of stabilization has been proposed based on the incorporation of low amounts of glutaraldehyde in the spinning solution offering the possibility to obtain stable nanofibers directly without the need of a post-spinning treatment. Finally, with the purpose of increasing the mechanical properties of the nanofibers scaffolds, composite biomaterials were designed based on the deposition of proteins nanofibers over the surface of a synthetic biomaterial such as polyurethane. In this case, collagen nanofibers were fabricated by electrospinning and deposited onto different end-group-modified polyurethanes. The morphology and distribution of the nanofibers was studied taking into account the chemistry of the biomaterial. Also the effect of the nanolayer of fibers on the final properties of the polyurethanes was analyzed.

La creación de soportes capaces de imitar las propiedades estructurales y funcionales de las matrices extracelulares es uno de los puntos de estudio más importantes dentro del campo de la ingeniería de tejidos. Entre las diversas técnicas desarrolladas para la fabricación de soportes tisulares, los métodos basados en nanotecnología, tales como la electro-hilatura, han demostrado jugar un papel relevante a la hora de obtener soportes capaces de imitar las propiedades fibrilares de las proteínas que forman matriz extracelular. El objetivo principal de la presente tesis se basa en la fabricación de nanofibras de base proteica (ej. gelatina y colágeno) para la obtención de soportes fibrilares de elevada biocompatibilidad celular mediante la técnica de la electrohilatura, basada fundamentalmente en el uso de fuerzas eléctricas . En primer lugar el trabajo se centró en estudiar el efecto de los distintos parámetros operacionales y químicos que gobiernan el proceso de electrospinning sobre la morfología y tamaño de las fibras obtenidas. Como resultado, se establecieron los parámetros óptimos de proceso para obtener nanofibras de propiedades predefinidas. Los resultados mostraron que variaciones en los parámetros operacionales (voltaje, caudal y distancia entre la aguja y el colector) dentro de los rangos estables de trabajo no influían significativamente en las propiedades de las nanofibras electro-hiladas. Sin embargo, los parámetros de la solución (tipo de polímero, concentración, etc) así como la conductividad del colector, sí presentaron un efecto significativo en el proceso de electro-hilado, determinando las propiedades finales de las nanofibras. En segundo lugar, el estudio se centró en la búsqueda de solventes alternativos con capacidad de mantener la integridad de las proteínas impidiendo su desnaturalización y degradación. Con este objetivo, se llevó a cabo una amplia investigación sobre la fabricación de nanofibras electro-hiladas a temperatura ambiente a partir de mezclas de sistemas benignos de gelatina/ácido acético/agua. Se establecieron los límites de electrohilabilidad de este sistema y se modelaron los resultados a partir de un completo análisis reológico de las propiedades del sistema, con el objetivo de predecir las propiedades finales de las fibras en base a la composición de la solución. Alternativamente, se propuso un nuevo sistema benigno basado en una mezcla ternaria de PBS/Agua/Etanol para la electro-hilatura de tres tipos diferentes de gelatinas. En este caso, se evaluó el efecto del tipo de gelatina en la electrohilabilidad y morfología de las nanofibras obtenidas en base a su distinto origen y proceso de extracción. En tercer lugar, se abordó el estudio de la estabilidad de las nanofibras electrohiladas teniendo en cuenta su importancia en sistemas acuosos a la hora de actuar como potenciales soportes tisulares. Diversos métodos de aplicación del glutarladheido como reticulante fueron analizados, así como su influencia en la morfología y el tamaño de las fibras obtenidas. Asimismo, se propuso un método directo de estabilización por incorporación de pequeñas cantidades de glutaraldehído en la solución de hilatura, ofreciendo la posibilidad de obtener nanofibras estables directamente sin necesidad de realizar un tratamiento posterior. Finalmente, con el objetivo de incrementar las propiedades mecánicas de los soportes de nanofibras se realizó un estudio de creación de biomateriales compuestos basados en la deposición de una nanocapa de fibras proteicas sobre la superficie de un biomaterial sintético. Para ello, nanofibars de colágeno fueron fabricadas por electro-hilatura y depositadas sobre diferentes poliuretanos con distintas modificaciones superficiales. Los resultados permitieron evaluar la morfología y la distribución de las nanofibras teniendo en cuenta la química superficial del biomaterial, así como el efecto de la nanocapa de fibras en las propiedades finales de los poliuretanos