Un equipo interdisciplinario de las facultades de Ciencias Físicas y Matemáticas y de Odontología desarrolló un biomaterial biodegradable impreso en 3D que, al activarse mediante ultrasonido, disminuye la adhesión de bacterias. El estudio, publicado en Composites Communications, muestra cómo un derivado del grafeno potencia su efecto antibacteriano y abre nuevas posibilidades para la regeneración ósea.
Una fractura compleja, un accidente o una cirugía para extraer un tumor pueden producir pérdidas de tejido óseo tan extensas que el organismo pierde su capacidad de repararlas por sí solo. Una de las alternativas que investiga la ingeniería es el desarrollo de andamios tridimensionales capaces de ocupar temporalmente el espacio de la lesión y servir como soporte para el crecimiento de nuevas células.
Sin embargo, estos soportes enfrentan otro desafío igual de importante: además de favorecer la regeneración del hueso, deben impedir que las bacterias colonicen su superficie y provoquen infecciones que comprometan el éxito del tratamiento.
Para responder a este problema, un equipo interdisciplinario del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, con la colaboración del Departamento de Patología y Medicina Oral de la Facultad de Odontología, diseñó un material biodegradable impreso en 3D capaz de activar una respuesta antibacteriana mediante ultrasonido.
«La idea era desarrollar un material que tuviera una propiedad piezoeléctrica, enfocándonos principalmente en un biomaterial que pudiera usarse para regenerar hueso. Nuestra intención era poder replicar ese fenómeno natural del hueso en un material», explica Francisco Fernández Gil, doctor en Ciencias de la Ingeniería, mención en Ciencia de los Materiales de la Universidad de Chile y autor principal del estudio.
El trabajo titulado «Conductive particles enhanced piezocatalytic behavior of ZnO in biocompatible polymer nanocomposites for antibacterial 3D printed scaffolds under ultrasound stimulation» fue publicado en la revista Composites Communications.
La investigación contó con la dirección del Dr. Humberto Palza, profesor titular y director del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales (DIQBM), y reunió a un equipo multidisciplinario integrado por Javiera Briceño-Fuenzalida, Patricia Palma, Felipe Olate-Moya y Juan Pablo Acevedo, junto a colaboradores de la Universidad de La Frontera, la Universidad de los Andes, la Comisión Chilena de Energía Nuclear y el Centro de Medicina Intervencional de Precisión y Terapia Celular Avanzada (IMPACT).
Los investigadores destacan que este tipo de desarrollos aún es poco frecuente tanto en Chile como en Latinoamérica, donde existen pocos grupos dedicados al estudio de biomateriales piezoeléctricos aplicados a medicina regenerativa. En ese contexto, el estudio aporta evidencia para una línea de investigación pionera en Chile y aún poco explorada en Latinoamérica, orientada al desarrollo de biomateriales piezoeléctricos para medicina regenerativa.
Inspirarse en el comportamiento natural del hueso
La estructura desarrollada está compuesta por policaprolactona, un polímero biodegradable y biocompatible, al que los investigadores incorporaron microvarillas de óxido de zinc y nanoplaquetas (o nanopartículas) de óxido de grafeno térmicamente reducido. La combinación busca reproducir una propiedad presente de manera natural en el tejido óseo: la piezoelectricidad, un fenómeno mediante el cual algunos materiales generan pequeñas cargas eléctricas cuando son sometidos a presión o deformación mecánica.
Para fabricar este soporte, el equipo utilizó impresión 3D, tecnología que permitió obtener una arquitectura porosa adecuada para el crecimiento celular y orientar las partículas de óxido de zinc durante el proceso de fabricación, potenciando así la respuesta piezoeléctrica del sistema.
Pero el principal objetivo de la investigación fue ir un paso más allá. Más que demostrar que el material podía generar electricidad, los investigadores quisieron comprobar si era posible aprovechar esa energía para desencadenar reacciones químicas con efecto antibacteriano, un fenómeno conocido como piezocatálisis. Para ello, incorporaron un derivado conductor del grafeno, con la hipótesis de que facilitaría el movimiento de las cargas eléctricas y potenciaría este proceso.
El ultrasonido potencia la acción antibacteriana del material
Para activar esta función en la pieza, los investigadores emplearon ondas de ultrasonido de baja intensidad, lo que produjo pequeñas deformaciones mecánicas en las partículas piezoeléctricas sin necesidad de intervenir directamente en el implante, una característica especialmente relevante para futuras aplicaciones clínicas.
«La gracia del ultrasonido es que es remoto. Si uno piensa en una prótesis o un implante dentro del hueso, no es posible deformarlo directamente. El ultrasonido permite entregar ese estímulo desde el exterior«, explica Humberto Palza.
Cuando recibe este estímulo, el óxido de zinc genera cargas eléctricas positivas y negativas que reaccionan con el agua y el oxígeno presentes en el medio, formando especies reactivas de oxígeno. Estas moléculas poseen una alta capacidad oxidante y pueden dañar la membrana, las proteínas y el material genético de las bacterias.
Los resultados demostraron que la incorporación del derivado del grafeno potencia este fenómeno. «Comprobamos que la mezcla de un material piezoeléctrico con un material conductor genera una sinergia. La polarización se potencia y eso aumenta la generación de radicales capaces de inhibir o matar bacterias«, señala Palza.
Los ensayos mostraron que los andamios reducen la adhesión de Staphylococcus aureus, una de las bacterias más frecuentemente asociadas a infecciones en implantes, y que el material que combina policaprolactona, óxido de zinc y grafeno obtuvo el mejor desempeño cuando fue estimulado mediante ultrasonido. Además, las pruebas realizadas con células madre mesenquimales humanas confirmaron que el desarrollo es biocompatible y permite el crecimiento celular sin evidencia de toxicidad.
Si bien el estudio corresponde a una etapa experimental y aún requiere avanzar hacia ensayos preclínicos, los investigadores sostienen que estos resultados entregan una base para el diseño de futuros biomateriales capaces de combinar soporte estructural para la regeneración ósea con mecanismos activos para disminuir el riesgo de infecciones.
«Este trabajo nos permitió demostrar fenómenos muy significativos. Ahora queremos trasladar ese conocimiento hacia nuevos modelos que tengan una aplicación cada vez más cercana a la clínica», concluye Fernández.
