ES2372343A1 - Substrato cuasibidimensional para crecimiento de células y tejidos y método de obtención del mismo. - Google Patents

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Abstract

La presente invención consiste en un substrato cuasibidimensional para tareas de crecimiento de células y tejidos caracterizado por una superficie superior fractal, sobre la que crecen las células y tejidos, basada en modelos matemáticos que permiten controlar de forma precisa aspectos de dicha superficie como la rugosidad, porosidad o tamaño de las irregularidades, entre otras características que resultan críticas en tareas de crecimiento de células y que se controlan, ya desde la etapa de diseño, lo que permite enfoques personalizados que se adapten de forma óptima a los requisitos de las células cuyo crecimiento se quiere promocionar.

Description

Substrato cuasibidimensional para crecimiento de células y tejidos y método de obtención del mismo.
Sector técnico
La invención se encuadra en el sector técnico de los dispositivos médicos destinados a promocionar tareas de crecimiento de células y tejidos, tareas que habitualmente se engloban en el área de la "medicina regenerativa" o de la "ingeniería de tejidos".
Estado de la técnica
La ingeniería de tejidos es una especialidad multidisciplinar que aplica los principios de la ingeniería y las ciencias de la vida a la fabricación de sustitutos biológicos que mantengan, mejoren o restauren la función de órganos y tejidos en el cuerpo humano. Incluye conceptos de ramas tan diversas como la biología celular, la microfabricación, la robótica y la ciencia de los materiales para diseñar partes de reemplazo del cuerpo humano.
Recientemente se ha acuñado, para denominar a este tipo de propuestas y tendencias, el término más general de "biofabricación", que hace referencia a la adaptación de tecnologías y procedimientos típicos de la ingeniería mecánica y de fabricación al desarrollo artificial, no sólo de tejidos, sino también de estructuras biológicas tridimensionales e incluso órganos completos.
Esta especialidad ha experimentado grandes avances desde los años 80, fruto de la actividad de grandes investigadores como Eugene Bell o Robert S. Langer, ambos profesores del MIT, que comenzaron a promover la obtención de substratos con materiales y geometrías adecuados al cultivo de células y crecimiento de tejidos, que pudieran posteriormente usarse en intervenciones quirúrgicas (Langer, "Tissue Engineering", 1993).
Los progresivos avances en el campo de los polímeros biodegradables, en combinación con el desarrollo de tecnologías de fabricación automatizada, cada vez más versátiles, han hecho que a día de hoy puedan obtenerse substratos ("scaffolds") con ciertas rugosidades, sobre los que se adhieren células vivas con factores de crecimiento, que se multiplican hasta cubrir el substrato. Una vez llegado a este punto todo el conjunto (substrato y recubrimiento) se implanta en zonas dañadas del organismo. Tras el implante las células se acomodan a su entorno y reproducen las funciones del tejido circundante, mientras que el substrato se reabsorbe progresivamente (Hollister, "Porous scaffold design for tissue engineering", 2005).
Todo ello ha cambiado el enfoque quirúrgico a la hora de solucionar numerosos problemas fruto de tejidos deteriorados, sin embargo su empleo sigue estando limitado por dificultades técnicas ligadas a la industrialización del proceso, pues el proceso de crecimiento sigue realizándose en laboratorio de forma casi artesanal y resulta muy complejo obtener tejidos con dimensiones mayores que unos pocos centímetros cuadrados.
Entre las patentes relacionadas con estos temas cabe citar los documentos US2010098742 "Fabrication of tissue lamina using microfabricated two-dimensional molds", JP2009278961 "Cell culture substrate", WO2010044758 "Resorbable scaffolds for bone repair and long bone tissue engineering", CA2691801 "Porous composite material, preparation process thereof and use to realize tissue engineering devices", CN101524556 "Porous tissue engineering scaffold and preparation method thereof", CN101485905 "Method for constructing tissue engineering skin" ó US2009060969 "Porous biodegradable polymeric materials for cell transplantation".
En dichos documentos se explican diferentes aspectos ligados al empleo de substratos o materiales porosos para crecimiento de células y tejidos planos, así como con los procedimientos utilizados para obtener dichos substratos y materiales o para promocionar el crecimiento celular sobre ellos. Se detallan a continuación algunas limitaciones actuales objeto de investigación y que deben ser superadas para promocionar los resultados alcanzables con estos substratos para crecimiento de tejidos.
El empleo de tecnologías de fabricación automatizada está permitiendo también la fabricación directa de substratos y la obtención de geometrías muy similares a las previamente diseñadas con ayuda de programas de diseño asistido por computador (diseños CAD), lo que resulta efectivo a la hora de optimizar tiempos y costes en proyectos asociados al desarrollo de este tipo de soluciones biomédicas. Sin embargo las geometrías alcanzables mediante el empleo de estos programas de diseño asistido por computador resultan especialmente limitadas a la hora de intentar realizar diseños biomiméticos, que simulen las texturas, rugosidades y defectos propios de los órganos y tejidos corporales, sobre los que el crecimiento celular y tisular se ve promocionado.
Así resulta relativamente sencillo obtener, empleando programas "CAD", estructuras laminares con ciertas protuberancias homogéneamente distribuidas sobre la superficie (pequeñas pirámides, bloques para conformar cuadrículas) o realizar huecos o pequeñas depresiones (en forma de pozos de reducidas dimensiones) que ayudan a fijar los nutrientes y las células sobre el substrato. Pero estas geometrías, si bien resultan adecuadas en ciertas aplicaciones, siguen siendo demasiado sencillas (placas planas con ranuras o agujeros distribuidos de forma uniforme) y no permiten realizar buenas aproximaciones a la geometría y morfología típica de tejidos de sistemas biológicos (Hannachi, "Cell sheet technology and cell patterning for biofabrication", 2009).
Para superar estas notables diferencias con los tejidos reales, algunos investigadores proponen el empleo de ataques químicos para obtener las texturas y rugosidades buscadas. Sin embargo los resultados finales son difícilmente controlables desde la etapa de diseño y es necesario recurrir a diversas iteraciones durante la obtención de los prototipos de substratos deseados, por los múltiples parámetros implicados en el proceso (como concentración del agente atacante, tiempo de exposición, temperaturas implicadas, entre otros).
Descripción breve de la invención
Como apoyo a la obtención de substratos para ingeniería de tejidos que permitan simular las irregularidades geométricas propias de las superficies biológicas, se propone en esta invención el diseño de superficies con geometría fractal. Los fractales son objetos aparentemente quebrados, fragmentados o irregulares, con cierto grado de autosemejanza, con detalle a cualquier escala de observación y demasiado irregulares para ser descritos en términos geométricos convencionales, por lo que generalmente se definen mediante algoritmos recursivos.
Un fractal natural es un elemento de la naturaleza que puede ser descrito mediante la geometría fractal. Así las nubes, las montañas, el sistema circulatorio, las líneas costeras o los copos de nieve son fractales naturales. Esta representación es aproximada, pues las propiedades atribuidas a los objetos fractales ideales, como el detalle infinito, tienen límites en el mundo natural.
Su aplicación en tareas de bioingeniería puede resultar de gran utilidad, especialmente en combinación con herramientas de diseño CAD y de fabricación rápida que permitan obtener de forma directa soportes para ingeniería de tejidos con diseños mejorados.
En base al empleo de modelos fractales adecuados se pueden controlar aspectos superficiales críticos, como la rugosidad, el tamaño de las irregularidades, entre otros, lo que permite enfoques personalizados biomiméticos, ya desde la etapa de diseño, así como la adaptación a diferentes tipos de células y tejidos cuyo crecimiento se quiera estimular, según se detalla en esta invención. Para ello es importante caracterizar la morfología del tejido objetivo y emplear dicha información como apoyo a las posteriores tareas de diseño, según se exponen más adelante.
La solución aquí propuesta destaca por su versatilidad a la hora de controlar los principales parámetros superficiales que influyen en el crecimiento celular, así como por la posibilidad de adaptación a medida de diferentes tipos células y tejidos objeto de crecimiento, para lo que el empleo de modelos superficiales fractales, en combinación con la información procedente de caracterizaciones previas del tejido objetivo, resulta muy adecuado.
La presente invención tiene por objeto un substrato cuasibidimensional para tareas de crecimiento de células y tejidos. El substrato propuesto está diseñado según un procedimiento también objeto de la presente invención. En base al empleo de modelos de superficies fractales se promociona el crecimiento celular y se adapta el diseño del substrato a diferentes tipos de células y tejidos, cuyo crecimiento se quiera potenciar. Todo esto se consigue mediante las características enumeradas en las reivindicaciones.
Breve descripción de los dibujos
Figura 1a: Superficie (1) de tipo fractal fraccional browniana con dimensión fractal cercana a dos e irregularidades milimétricas para obtener substratos que promocionen el crecimiento celular y tisular.
Figura 1b: Superficie (2) fractal fraccional browniana con dimensión fractal cercana a dos y medio e irregularidades milimétricas para obtener substratos que promocionen el crecimiento celular y tisular.
Figura 1c: Superficie (3) fractal fraccional browniana con dimensión fractal cercana a tres e irregularidades milimétricas para obtener substratos que promocionen el crecimiento celular y tisular.
Figura 2a: Superficie (4) fractal fraccional browniana con dimensión fractal cercana a dos e irregularidades micrométricas para obtener substratos que promocionen el crecimiento celular y tisular.
Figura 2b: Superficie (5) fractal fraccional browniana con dimensión fractal cercana a dos y medio e irregularidades micrométricas para obtener substratos que promocionen el crecimiento celular y tisular.
Figura 2c: Superficie (6) fractal fraccional browniana con dimensión fractal cercana a tres e irregularidades micrométricas para obtener substratos que promocionen el crecimiento celular y tisular.
Figura 3a: Superficie (7) fractal obtenida por superposición de geometrías senoidales de diferente frecuencia, que en el ejemplo permiten la obtención de ondulaciones con amplitud en torno a los centenares de micras y rugosidades superpuestas con amplitud en torno a las decenas de micras.
Figura 3b: Detalle (8) de la textura superficial de la superficie (7) substrato anterior.
Figura 3c: Superficie (9) fractal obtenida por superposición de un mayor número de geometrías senoidales de diferentes frecuencias, para la obtención de ondulaciones con amplitud en torno a los centenares de micras, rugosidades superpuestas con amplitud en torno a las decenas de micras y detalles adicionales con amplitud en torno a las pocas micras.
Figura 4: Substrato (10) cuasibidimensional para crecimiento de células y tejidos con cierto espesor obtenido a partir de superficie fractal. Vista de detalle ampliada.
Figura 5: Impronta de molde (11) con superficie interna fractal para fabricación en serie por inyección de substratos para crecimiento de células y tejidos.
Superficie original (12) a partir de la cuál se obtiene la impronta del molde.
Descripción detallada de la invención
Preferentemente, un substrato de acuerdo con la presente invención presentaría las siguientes características generales:
En primer lugar una superficie superior fractal con una dimensión fractal, según definición de Hausdorff explicada a continuación, de valor mayor que dos y menor que tres, que permite controlar de forma precisa aspectos de dicha superficie como la rugosidad, porosidad o tamaño de las irregularidades, entre otras características que resultan críticas en tareas de crecimiento de células y que se controlan, ya desde la etapa de diseño, en función de los parámetros de la ecuación que define matemáticamente a dicha superficie, lo que permite enfoques personalizados que se adapten de forma óptima a los requisitos de las células cuyo crecimiento se quiere promocionar.
La dimensión Hausdorff "H(X)", típicamente denominada dimensión fractal, en adelante "D", de un objeto fractal "X" mide el número de conjuntos de longitud "L" que hacen falta para cubrir el objeto fractal X.
La dimensión fractal, D, como veremos es una generalización de la dimensión euclidea, "DE". Si partimos de un segmento (DE = 1) de longitud 1, y lo partimos en segmentos de longitud L obtendremos "N(L)" partes, de manera que para cualquier L:
1
Si el objeto inicial es un cuadrado (DE = 2) de superficie 1, y lo comparamos con unidades cuadradas, cuyo lado tenga de longitud L, el número de unidades que es necesario para recubrirlo N(L), cumple para cualquier L la siguiente expresión:
2
Si, por último, el objeto que tomamos es tridimensional (DE = 3), como, por ejemplo, un cubo de volumen 1, y lo medimos en relación con unidades que sean cubos de arista L, entonces se cumple para cualquier L que:
3
De todo esto podemos generalizar que la dimensión fractal de un objeto geométrico es D si se cumple:
4
Donde N(L) es el número de objetos elementales, o de unidades, de tamaño L que recubren, o que completan, el objeto. Así la dimensión fractal que podemos emplear a lo largo de esta invención se obtiene según la expresión:
5
Evidentemente, cuanto más pequeño sea L, mejor podremos ajustar el objeto fractal X con objetos elementales de tamaño L, por lo que para llegar a un valor muy preciso de la dimensión fractal se suele evaluar la expresión anterior en el límite cuando L tiende a 0.
6
Así los substratos objeto de patente, si bien en una primera aproximación (observados grosso modo) podrían percibirse como objetos bidimensionales planos, al ser observados de forma más detallada se aprecia que presentan cierta textura, cierta geometría fractal, por lo que son objetos con dimensión fractal mayor que dos, de ahí el término "cuasibidimensionales".
Por otro lado, dichas rugosidades, irregularidades o texturas superficiales de los substratos objeto de patente pueden controlarse desde la etapa de diseño, haciéndose más o menos pronunciadas en función de los requisitos del problema. Un mayor número de irregularidades y unas rugosidades más pronunciadas hacen que la dimensión fractal del substrato aumente hasta un valor límite de tres para las tareas de ingeniería de tejidos asociadas. Por tanto proponemos una dimensión fractal mayor que dos y menor que tres para los substratos objeto de patente.
Además preferentemente, el espesor típico para el substrato, para promocionar estas tareas de crecimiento celular, debe ser superior a un micrómetro e inferior a veinte milímetros. Para tareas de crecimiento celular y de tejidos in vitro el espesor será típicamente inferior a 2 mm, para facilitar actividades de microscopía, mientras que para substratos posteriormente implantables, una vez hayan crecido las células sobre ellos, el espesor será mayor de 1 mm para soportar los esfuerzos mecánicos asociados. Ello aporta consistencia estructural a dicha superficie superior fractal. Por último la superficie inferior que puede ser plana o presentar un diseño fractal similar a la superficie superior, según los requisitos del problema.
Existen diferentes tipos de superficies fractales son susceptibles de permitir un control optimizado sobre las características superficiales (rugosidad, porosidad, microtexturas, tamaño de detalles y defectos, entre otras), ya desde la etapa de diseño. Todas las superficies, las fractales aquí tratadas de manera más acusada, presentan irregularidades con forma de cumbres y valles de tamaño generalmente micrométrico. La rugosidad permite valorar la altura media de dichas cumbres y la profundidad media de dichos valles, el tamaño de detalles y defectos está ligado a la distancia entre valles (que permite valorar el tamaño de la cumbre, detalle o defecto intermedio) y la porosidad de una región de la superficie o substrato marca la proporción de espacio vacío en dicha región.
Se detallan a continuación diferentes ejemplos de tipos de geometrías fractales y algunos modelos matemáticos propuestos para la obtención de los substratos cuasibidimensionales.
En principio, para la obtención de las superficies biomiméticas de estos substratos se puede recurrir al empleo de modelos comúnmente denominados "fractales fraccionales brownianos", que permiten controlar el tamaño y magnitud de las rugosidades e irregularidades superficiales para un mejor control del crecimiento celular.
También se puede obtener dichas superficies empleando ecuaciones basadas en el modelo de "Mandelbrot-Weierstrass" generalizado, empleando modelos comúnmente denominados de "Eden-growth", mediante aplicación de modelos de crecimiento basados en el modelo de "Kardar-Parisi-Zhang" o aplicando ecuaciones basadas en el modelo de "Langevin".
Todos los modelos fractales citados permiten controlar el tamaño y magnitud de las rugosidades e irregularidades superficiales, obteniendo así diseños biomiméticos, para un mejor control del crecimiento celular y de los tejidos asociados (1, 2, 3, 4, 5, 6). En concreto el empleo de ecuaciones basadas en los modelos de "Kardar-Parisi-Zhang" o en el modelo de "Langevin", para definir la superficie fractal, permite introducir irregularidades de forma progresiva a partir de una superficie de partida predefinida y de esta manera las características de la superficie pueden adecuarse a la aplicación final controlando el número de iteraciones de cálculo.
Otra opción que permite la obtención de geometrías más "suaves", pero también con características fractales y biomiméticas consiste en la obtención de la superficie, destinada a acoger las células para su crecimiento, mediante superposición de geometrías senoidales o cosenoidales de diferente frecuencia para obtener múltiples ondulaciones, microondulaciones y nanoondulaciones superpuestas (7, 8, 9).
Para materializar los diseños se pueden emplear ecuaciones concretas que permiten representar la altura "z" en función de las coordenadas "x" e "y" del plano horizontal "XY". Dichas ecuaciones permiten la obtención de matrices de alturas asociadas a una cuadrícula, según el grado de detalle deseado, que contienen la información necesaria para su posterior empleo en programas de diseño (y fabricación) asistido por computador, según se detalla más adelante.
El primer grupo de ecuaciones fractales se basa en la obtención de las matrices de alturas Z(x,y) mediante sumatorios de infinitos términos con ciertas componentes aleatorias, si bien a la hora de realizar los cálculos y obtener la información asociada a las matrices de alturas resulta suficiente con extender los sumatorios de las expresiones siguientes
hasta valores de n = 100. Detallamos a continuación expresiones que nos permiten obtener los diseños buscados:
70
7
8
Dichas expresiones incorporan diferentes constantes como "a", "b", "d", "f", "s", "t", "A", "B", "C", "D", "E", "\pi", "\alpha", "\lambda", "\gamma" o "\eta"; términos aleatorios similares a ruido blanco gausiano o términos aleatorios basados en distribuciones normales o uniformes como "A_{k}", "B_{k}" o "C_{k}" o valores enteros que varían a lo largo de los distintos sumatorios como "m_{i}", "i", "k" o "n".
Diferentes parámetros pueden emplearse para controlar la dimensión fractal asociada a un substrato concreto y conseguir así desde substratos muy planos (con dimensión cercana a dos) hasta substratos muy rugosos (con dimensión cercana a tres), siempre teniendo en cuenta los requisitos de la aplicación final.
Así por ejemplo en el caso de diseñar superficies fractales fraccionales brownianas (según las dos primeras expresiones detalladas arriba) se puede adaptar la rugosidad fundamentalmente controlando el parámetro "\alpha", presentando la dimensión fractal obtenida un valor de "3 - \alpha". La porosidad y el tamaño en planta de las irregularidades se puede controlar a la hora de generar las matrices de alturas en función de los saltos "\Deltax" e "\Deltay" definidos entre las coordenadas "x" e "y" de filas y columnas contiguas en la matriz de alturas. La altura de las irregularidades puede controlarse adicionalmente en base a modificaciones en el parámetro "\lambda". Los términos aleatorios ayudan al biomimetismo puesto que las estructuras corporales presentan siempre ciertas irregularidades.
En ocasiones resulta interesante superponer dichas geometrías fractales fracciónales brownianas a superficies de partida senoidales u onduladas, para llegar a geometrías que se adapten a zonas no planas desde un punto de vista macroscópico según definen las expresiones anteriores y tal y como se detalla en las imágenes (7), (8), (9).
En algunas expresiones se ha incorporado también una función de alturas inicial "z_{0}" que indica la geometría y morfología de una superficie de partida (adaptada a algún tejido, estructura corporal u órgano concreto) sobre la que se incorporan las rugosidades y texturas deseadas para promocionar el crecimiento celular.
El segundo grupo de ecuaciones que nos permite obtener superficies fractales con las irregularidades y texturas buscadas pero en base a la incorporación de variaciones progresivas en función del tiempo "t" y a partir de una superficie inicial especialmente adecuada z_{0} = z(x, y, t = 0) y se detallan a continuación:
9
Siendo \eta(\vec{\mathit{x}}, t) una función aleatoria del tipo ruido blanco gausiano dependiente de la posición \vec{\mathit{x}} y del tiempo "t". Siendo "\mu" y "\lambda" constantes y \nabla la función gradiente.
10
Siendo \xi(t) una función aleatoria del tipo ruido blanco dependiente del tiempo y V(z) una función potencial. Siendo "\gamma" una constante y "\nabla" la función gradiente.
Entre las funciones de altura inicial potencialmente válidas para la obtención de substratos adecuados cabe citar:
11
Siendo "a", "b", "c", "d", "m", "n" y "\pi" constantes.
Para obtener unos resultados especialmente destacables es importante considerar las características originales del tejido objetivo (cuyo crecimiento se quiere promocionar in vitro con ayuda de los substratos fractales cuasibidimensionales objeto de patente). A tal efecto, como paso previo a la etapa de diseño, resulta relevante caracterizar el tejido objetivo. La caracterización puede realizarse mediante perfilometría de contacto u óptica (láser) o mediante técnicas de microscopía electrónica de barrido o de transmisión o microscopía de fuerza atómica sobre una muestra del tejido objetivo. Una vez perfilado o escaneado el tejido se puede obtener su dimensión fractal o de Haussdorff, así como las dimensiones típicas de las irregularidades, que luego se utilizarán como parámetros de diseño.
De esta manera el tamaño típico de las irregularidades se utilizará para definir los saltos "\Deltax" e "\Deltay" entre las coordenadas "x" e "y" de filas y columnas contiguas en la matriz de alturas. La dimensión fractal del tejido se empleará como parámetro de diseño, tanto a la hora de definir el diseño, como una vez fabricado el substrato. La caracterización de los substratos (tras su fabricación de forma directa a partir del diseño, según se detalla a continuación) empleando perfilometría o microscopía permite validar su adaptación al tejido de partida inicial y validar las características biomiméticas del diseño.
Podría pensarse en utilizar técnicas de ingeniería inversa para obtener una copia exacta del tejido objetivo, por ejemplo partiendo de datos fruto de perfilometrías exhaustivas y realizadas con gran precisión o bien utilizando la información procedente de imágenes médicas. Sin embargo estas opciones no resultan por el momento técnicamente viables:
En el caso de partir de información de imágenes médicas obtenidas por tomografía computerizada, resonancia magnética o emisión de positrones, entre otras, la precisión suele estar en el orden de los centenares de micrómetro, por lo que la reproducción no resultaría suficientemente precisa. La combinación de dichas tecnologías de imagen médica y herramientas de diseño asistido por computador ha mostrado ser de utilidad para la obtención de implantes macroscópicos, pero no es aplicable para los substratos cuasibidimensionales para crecimiento de células y tejidos objeto de invención.
En el caso de partir de perfilometrías para generar archivos de diseño "CAD" de forma directa, la obtención de un diseño suficientemente preciso que copiase el tejido original conllevaría un procedimiento muy costoso en tiempo (por la cantidad de perfiles que sería necesario obtener) y los archivos de diseño asociados presentarían un tamaño excesivamente grande para un manejo eficaz empleando los sistemas actuales.
Por ello resulta más adecuado realizar una caracterización rápida del tejido mediante perfilometría o microscopía orientada a la obtención de su dimensión fractal y del tamaño de las irregularidades como parámetros básicos de diseño. El posterior diseño encaminado a la obtención de la matriz de alturas o nube de puntos, en función de dichos parámetros básicos, no será una copia exacta del tejido original, pero su morfología sí presentará unas características similares que ayudarán a la proliferación celular sobre su superficie.
Una vez obtenida la matriz de alturas, que proporciona las coordenadas (x, y, z) de los puntos utilizados para definir la superficie destinada a acoger a las células y tejidos para su crecimiento, se pueden utilizar conversores de formato que permiten pasar desde la información incluida en matrices que definen superficies de objetos, hasta un formato típico .stl, entre otros válidos, que sea reconocible por la mayoría de máquinas de fabricación automatizada y fabricación aditiva y utilizable también por numerosos programas de diseño asistido por computador "CAD".
Tras la obtención de la superficie fractal buscada en un formato reconocible por herramientas "CAD" se pueden realizar tareas adicionales de diseño y todo tipo de operaciones basadas en dicha geometría (extrusiones para obtener un espesor que aporte consistencia (10), simetrías para obtener substratos con geometría fractal en caras opuestas, vaciados, operaciones booleanas), con lo que se aporta versatilidad a los diseños de substratos realizables y se controla mejor su adaptabilidad al tipo de células y tejidos, cuyo crecimiento se quiera promocionar. En ocasiones para poder manejar con programas "CAD" los archivos en formato .stl, obtenidos a partir de la matriz de alturas inicial, puede ser necesaria una conversión adicional de geometría facetada .stl a geometría sólida, con los típicos programas denominados convertidores "mesh to solid", con los que se asocia un objeto sólido a dicha geometría facetada (constituida por triángulos o tetraedros que se adaptan de forma aproximada a la geometría de partida).
Esta conversión adicional permite también acometer operaciones posteriores de diseño con un mayor número de programas "CAD" e incluso realizar análisis y simulaciones sobre dichos modelos con ayuda de herramientas de cálculo aplicando el método de los elementos finitos (tensiones, deformaciones, transmisión de calor, fenómenos de contacto en la interfaz líquido sólido, entre otros).
A partir del diseño "CAD" se pueden utilizar diversas tecnologías de fabricación, tanto substractiva como aditiva, con movimiento automatizado en función de la geometría diseñada. Así por ejemplo se puede recurrir al empleo de centros de mecanizado por control numérico en los que una herramienta realiza pasadas progresivas sobre un bloque de material, para llegar al substrato diseñado. Dentro de las tecnologías de fabricación por arranque de material que pueden ser de utilidad en la obtención de este tipo de substratos cabe citar también el micromecanizado por arranque de viruta, el micromecanizado láser y otras tecnologías de ablación láser.
También se puede recurrir al empleo de tecnologías de fabricación aditiva, también denominadas de impresión 3D, de fabricación rápida o de "rapid manufacturing", con las que las geometrías alcanzables son aún más complejas al fabricar las piezas de forma aditiva o "capa a capa", con lo que se pueden conseguir ciertas estructuras huecas o porosas imposibles de obtener por mecanizado convencional.
Entre estas tecnologías de fabricación aditiva, que pueden emplearse para obtener los substratos cuasibidimensionales objeto de patente, cabe citar la estereolitografía láser, el sinterizado selectivo por láser, el modelado por deposición de hilo fundido, la impresión 3D, la fotopolimerización por proyección de máscara, la fusión por haz de electrones, la fusión de polvo por láser o la bioimpresión 3D, esta última capaz de obtener complejas superficies de forma directa en material biológico.
Además muchas de estas tecnologías presentan desarrollos enfocados a la microfabricación (microestereolitografía, microfotolitografía, entre otras) con las que pueden alcanzarse precisiones muy destacadas, que posibiliten realizar detalles de tamaño similar al de células aisladas, para necesidades especiales.
Dichas tecnologías permiten obtener substratos para ingeniería de tejidos en diferentes materiales, tanto biológicos como sintéticos, lo que permite adaptarse a diferentes casos de estudio de forma personalizada. Algunas de estas tecnologías de fabricación aditiva pueden incluso presentar diversos cabezales de deposición, con lo que se pueden obtener substratos de material compuesto combinando cualquiera de los materiales habitualmente empleados con estas tecnologías.
Entre los materiales susceptibles de ser utilizados para fabricar estos substratos cuasibidimensionales mediante tecnologías de fabricación aditiva cabe citar:
\sqbullet
Polímeros biodegradables o bioabsorbibles que desaparecen progresivamente una vez las células hayan crecido de forma correcta y conformado un tejido consistente. Entre estos polímeros cabe citar numerosos hidrogeles (como ácido poliláctico y polivinil alcoholes) o la poli(\varepsilon-caprolactona).
\sqbullet
Polímeros bioinertes que permanecen junto a la estructura orgánica y continúan su labor de apoyo una vez implantado el substrato. Entre estos polímeros cabe citar el polidimetilsiloxano y otras siliconas, el PTFE, el PMMA y algunos poliuretanos biocompatibles.
\sqbullet
Polímeros bioactivos que facilitan la integración en el organismo receptor, como polímeros acrílicos bioactivos y algunos hidrogeles bioactivos que al ser degradados permitan la liberación de fármacos de forma controlada.
\sqbullet
Polímeros con cargas o nanocargas de metales, de aleaciones o de nanotubos de carbono que, gracias al empleo de dichas cargas o nanocargas, presentan conductividad eléctrica controlable durante el proceso de fabricación del substrato, en función de la cantidad de cargas o nanocargas utilizadas. La obtención de substratos conductores presenta ventajas para promocionar el crecimiento celular mediante electroestimulación.
\sqbullet
Cerámicos bioinertes que permanecen junto a la estructura orgánica y continúan su labor de apoyo una vez implantado el substrato, generalmente alúmina (Al_{2}O_{3}) y algunos policristales de zirconio tetragonal estabilizados con itrio (Y-TZP).
\sqbullet
Cerámicos bioactivos que facilitan la integración en el organismo receptor, generalmente vítreos (de base SiO_{2}) y vitrocerámicos (en cuya composición se encuentran en distintas proporciones SiO_{2}, P_{2}O_{5}, CaO, Ca(PO_{3})_{2}, MgO, CaF_{2}, MgF_{2}, Na_{2}O, K_{2}O, Al_{2}O_{3}, B_{2}O_{3}, Ta_{2}O_{5} ó TiO_{2}). En ocasiones se pueden utilizar también fosfatos de calcio bioabsorbibles y algunos materiales de base carbono.
\sqbullet
Metales o aleaciones bioinertes que permanece junto a la estructura orgánica y continúan su labor de apoyo una vez implantado el substrato. Entre los metales o aleaciones bioinertes susceptibles de ser empleados para obtener substratos biocompatibles cabe citar el titanio y sus aleaciones (Ti-6Al-4V, Ni-Ti, Ti-Al-Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-Mo-Zr-Fe), aleaciones de cromo-cobalto, aleaciones de cromo-cobalto-molibdeno, cromo-cobalto-molibdeno-niquel, platino y otras aleaciones Pt-Ir.
\sqbullet
Metales o aleaciones bioactivas que facilitan la integración en el organismo receptor, generalmente metales o aleaciones como las anteriormente descritas pero que incorporan algún recubrimiento superficial basado en hidroxiapatita o cerámicos similares para facilitar el establecimiento de enlaces químicos entre el substrato implantable y los tejidos circundantes.
\sqbullet
Materiales biológicos, como colágeno, almidón, quitina, celulosa, algas, agar, fibrina, cera, resina, seda de araña o alginato, que facilitan la integración del substrato en el organismo receptor.
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Por otro lado a partir de los modelos iniciales se pueden obtener moldes rápidos por copiado de formas, en los que realizar posteriormente preseries de prototipos y series cortas, por colada de múltiples materiales para poder comparar las propiedades de diferentes substratos o para obtener substratos para diferentes aplicaciones. En estos moldes rápidos se puede colar también cera para posterior obtención de moldes cerámicos y colada a la cera pérdida de metales de alto punto de fusión, para la obtención de substratos más robustos (11).
Esta opción resulta una alternativa más económica que la opción de fabricar moldes de inyección convencionales por procesos de electroerosión o de arranque de viruta que lleven a la obtención de improntas con superficies fractales, en las que inyectar todo tipo de polímeros termoplásticos e incluso metales. Si bien más cara, por el elevado precio de los moldes de inyección, esta última opción es más adecuada de cara a la producción de series largas de substratos para ingeniería de tejidos y crecimiento de células.
En aplicaciones específicas puede requerirse una porosidad adicional para un substrato concreto y puede recurrirse a tecnologías especiales de inyección (de polímeros fundamentalmente) en moldes, como la inyección asistida por gas o la inyección asistida por fluidos supercríticos, con las que se obtienen piezas de baja densidad y elevada relación superficie/volumen capaz de promocionar y acelerar numerosas reacciones biológicas, necesarias para el crecimiento celular.
Como alternativa al moldeo por inyección cabe citar también el moldeo por compresión en caliente que, especialmente en el caso de los substratos poliméricos, puede ser de gran utilidad si se emplean improntas suficientemente precisas, obtenidas en materiales más duros (generalmente metálicos) por alguna de las tecnologías anteriormente descritas o en base al empleo de fotolitografía con o sin máscara, sobre todo para aquellos casos que requieran detalles micrométricos.
El empleo de recubrimientos superficiales delgados constituye también una posibilidad muy destacable como apoyo a la hora de adecuar las propiedades superficiales del substrato a aplicaciones concretas de crecimiento de células o tejidos. Estos recubrimientos permiten en muchas ocasiones optimizar las propiedades de contacto y mejorar la compatibilidad final de los dispositivos. Generalmente se puede recurrir a procesos de deposición física o química de vapor (procesos "PVD" y "CVD" respectivamente), así como a procesos de implantación de iones que promocionan una mayor resistencia y estabilidad de la unión entre substrato y recubrimiento, en función de las características del material del substrato a recubrir y de la aplicación final.
También se pueden realizar recubrimientos superficiales aplicando procesos de deposición sol-gel, para obtener una fina capa de gel que recubre el substrato y que permite la incorporación en la superficie del substrato de agentes antibióticos y de factores de crecimiento, a la vez que ayuda a adaptar las propiedades mecánicas del soporte a las de los tejidos del organismo receptor, facilitando así la biocompatibilidad del dispositivo.
En ocasiones las rugosidades asociadas a estos substratos fractales pueden dificultar en cierta medida los procesos de deposición de capas finas. Puede recurrirse entonces al empleo de materiales poliméricos con memoria de forma que permitan la obtención de morfologías temporales más planas que facilitan la realización de recubrimientos superficiales y que mediante activación posterior recuperen la morfología de diseño más rugosa y adecuada al crecimiento celular. Entre estos polímeros con memoria cabe citar resinas epoxi, resinas de poliuretano, ciertos poliestirenos, polietilenos con alto grado de entrecruzamiento, copolímeros de polietilentereftalato y polietilenglicol, copolímeros como el tBA-co-PEGDMA y otros copolímeros de bloque.
Estos polímeros presentan respuesta mecánica frente a estímulos externos, generalmente cambios de temperatura. Al calentar estos materiales por encima de su temperatura de "activación", se obtiene un cambio radical de polímero rígido a un estado elástico, que permite en algunos de los casos deformaciones de hasta el 400%. Una vez manipulado, si se enfría el material manteniendo la deformación impuesta, se "congela" dicha estructura volviendo a un estado rígido pero de "no equilibrio". Volviendo a calentar al material por encima de su temperatura de transición vítrea o "temperatura de activación", se recupera la forma inicial no deformada. El ciclo puede repetirse numerosas veces sin degradación del polímero y la mayoría de proveedores son capaces de formular diferentes materiales con temperaturas de activación entre -30ºC y 260ºC, según la aplicación deseada.
Por otro lado los diseños basados en modelos fractales, unidos al empleo de diferentes procesos de fabricación y acabado, permiten obtener superficies con características superhidrófobas o superhidrófilas, con las que influir en la adherencia de los tejidos obtenidos. En todo caso los diferentes substratos descritos deben esterilizarse antes de cualquier posible tarea quirúrgica destinada a su implante. En función del material del substrato y del sistema biológico receptor pueden utilizarse procesos de esterilización por vapor, por óxido de etileno, por radiación, por proceso Noxilizer, por plasma o por dióxido de carbono en estado supercrítico, para facilitar la biocompatibilidad del dispositivo. Un recubrimiento final con hidrogel o solución acuosa con agentes de crecimiento y agentes antibióticos puede resultar también de utilidad para el crecimiento celular.
El tipo de superficies y substratos descritos en esta invención se puede utilizar en tareas de crecimiento de células para la obtención de tejidos y parches biológicos para ayudar también en diversas intervenciones quirúrgicas.
Ejemplo
La presente invención se ilustra adicionalmente mediante el siguiente modo de realización, que no pretende ser limitativo de su alcance.
Para promocionar la obtención de un diseño biomimético que reproduzca fielmente los detalles del tejido original, cuyo crecimiento se quiera promocionar in vitro gracias al empleo de los substratos cuasibidimensionales objeto de patente, proponemos comenzar caracterizando dicho tejido para obtener sus características morfológicas fundamentales, especialmente su dimensión fractal. A modo de ejemplo, sin pretender limitar el alcance de la invención, la caracterización por perfilometría o microscopía de la superficie del tejido alveolar llevaría a una dimensión fractal (según la definición de Hausdorff explicada) entre 2,96 y 2,98, mientras que en el caso de un tejido cerebral oscilaría habitualmente entre 2,66 y 2,68. Por otro lado el tamaño de las irregularidades típicas en el tejido alveolar se situaría en valores típicos de 50 a 250 micrómetros y en el tejido cerebral en torno a los 100 a 400 micrómetros.
Con dicha información básica se procedería a realizar los diseños de las superficies fractales. En primer lugar para materializar los diseños se pueden emplear alguna de las ecuaciones previamente detalladas que permiten representar la altura "z" en función de las coordenadas "x" e "y" del plano horizontal "XY". Una vez elegida la ecuación, se puede evaluar para diferentes valores de "x" e "y" asociados a una cuadrícula, según el grado de detalle deseado, para obtener así la matriz de alturas buscada que contiene la información necesaria para su posterior empleo en programas de diseño (y fabricación) asistido por computador. Como algunas de las ecuaciones detalladas presentan sumatorios de infinitos términos, para un primer ejemplo puede resultar adecuado limitar dichos sumatorios a los 50 o 100 primeros términos, lo que ayudará a reducir el tiempo de cálculo asociado a la obtención de la matriz de alturas. También pueden asociarse a los distintos valores de "x" e "y" de la cuadrícula diferentes alturas con un valor medio característico y una desviación típica acorde con las medidas realizadas sobre el tejido, con lo que se obtiene un conjunto de puntos en el espacio, que posteriormente definirán la superficie fractal buscada, ya que ésta pasará por dichos puntos.
La dimensión fractal del propio diseño puede verificarse para validar el diseño de la superficie y antes de pasar el siguiente paso, o bien, para realizar un rediseño y obtener una morfología más acorde a la del tejido original.
Una vez obtenida la matriz de alturas, que proporciona las coordenadas (x, y, z) de los puntos utilizados para definir la superficie destinada a acoger a las células y tejidos para su crecimiento, se pueden utilizar conversores de formato que permiten pasar desde la información incluida en matrices que definen superficies de objetos, hasta el formato típico .stl reconocible o comprensible por la mayoría de programas de diseño orientados a la fabricación automatizada. En realidad se trata de un formato original de las aplicaciones desarrolladas por 3D Systems para las máquinas de estereolitografía láser, cuya popularidad ha motivado una destacada expansión, si bien podrían emplearse otros formatos igualmente válidos. La superficie queda por tanto definida al ser obligada a pasar por un conjunto de puntos en el espacio. La información sobre dicha superficie se expresa posteriormente de manera comprensible para herramientas típicas de diseño asistido, con lo que se posibilita la posterior dotación de un espesor como paso final del diseño y antes de acometer la fabricación del substrato objetivo.
A continuación se puede dotar a dicha superficie de un cierto espesor (10) con ayuda de herramientas de diseño compatibles con el formato utilizado y posteriormente acometerse un proceso de fabricación aditiva, por ejemplo empleando la tecnología de estereolitografía láser con resina epoxi, que reproduzca en un prototipo físico el diseño de substrato realizado. Pueden también resultar de utilidad la obtención de moldes blandos de silicona por copiado rápido de formas, empleando el substrato fabricado por estereolitografía láser, con los que posteriormente poder fabricar series cortas de prototipos de substratos colando diversos materiales en los moldes, para posibles estudios comparativos. Para tareas de producción en serie puede resultar más adecuado obtener, a partir de la superficie inicial, los diseños de unas improntas para moldes (11) que posteriormente puedan obtenerse en materiales rígidos, preferiblemente acero, por mecanizado por control numérico o por electroerosión. Dichos moldes son más robustos y permiten la obtención de series largas por inyección de termoplásticos, con lo que la productividad se promociona.
Las piezas obtenidas pueden someterse a diferentes recubrimientos superficiales, por ejemplo aplicando tecnologías de deposición física o química de vapor, con lo que sus características de contacto y de biocompatibilidad pueden adaptarse a la aplicación final y potenciar el crecimiento de tejidos biológicamente estables.
Asimismo antes de cualquier proceso de crecimiento celular que pueda implicar finalmente el implante del substrato, junto con el tejido originado, deben someterse dichos substratos a procesos de esterilización. En función del material del substrato y del sistema biológico receptor pueden utilizarse procesos de esterilización por vapor, por óxido de etileno, por radiación, por proceso Noxilizer, por plasma o por dióxido de carbono en estado supercrítico, para facilitar la biocompatibilidad del dispositivo. Un recubrimiento final con hidrogel o solución acuosa con agentes de crecimiento y agentes antibióticos puede resultar también de utilidad para el crecimiento celular.

Claims (29)

1. Método de obtención de un sustrato para crecimiento de tejidos caracterizado por que comprende las siguientes etapas:
-
determinar en una muestra de tejido original, la dimensión fractal y las coordenadas de posición de un conjunto de puntos de su superficie para definir la morfología de dicho tejido,
-
generar una superficie fractal de acuerdo con la información anterior de modo que la superficie generada se ajuste a dichos puntos,
-
reproducir en al menos una cara de un material la superficie fractal generada.
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2. Método según reivindicación 1, que comprende además validar la superficie fractal generada mediante el cálculo de su dimensión fractal y su comparación con el valor correspondiente al tejido original.
3. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde para definir la morfología del tejido original, se calculan valores de altura sobre una cuadrícula a partir de las coordenadas de posición del conjunto de puntos de la superficie del tejido.
4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la dimensión fractal se determina empleando al menos una de las siguientes técnicas o una combinación de las mismas:
-
perfilometría óptica,
-
perfilometría de contacto,
-
herramientas de microscopía.
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5. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha superficie fractal se dota de un espesor superior o igual a 1 micrómetro e inferior o igual a 20 milímetros.
6. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie fractal se genera siguiendo un modelo de los siguientes:
-
"fractales fracciónales brownianos",
-
"Mandelbrot-Weierstrass",
-
"Eden-growth",
-
"Kardar-Parisi-Zhang"
-
"Langevin",
-
o superposición de geometrías senoidales de diferente frecuencia.
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7. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie fractal generada se reproduce empleando tecnologías aditivas.
8. Método según la reivindicación anterior, donde la tecnología aditiva se elige entre una de las siguientes:
-
tecnologías de impresión 3D,
-
tecnologías de fabricación "capa a capa",
-
tecnologías de fabricación rápida,
-
a través de bioimpresoras.
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9. Método según la reivindicación 8 ó 9, donde la tecnología aditiva emplea más de un componente para obtener un substrato de material compuesto.
10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie fractal se emplea para obtener un molde.
11. Método según la reivindicación anterior, donde la superficie fractal generada se reproduce en un substrato moldeado por colada.
12. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 12, donde la superficie fractal generada se reproduce mediante compresión en caliente sobre substrato polimérico, empleando una impronta micrométrica obtenida por micromecanizado.
13. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 7, donde la superficie fractal generada se reproduce mediante recubrimiento superficial realizado mediante al menos una de las siguientes:
-
tecnologías de deposición física de vapor,
-
deposición química de vapor,
-
implantación de iones.
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14. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde además el sustrato se recubre mediante procesos de deposición sol - gel, de de una fina capa de una solución acuosa o de un hidrogel para incorporar agentes antibióticos y/o de factores de crecimiento y/o para adaptar las propiedades mecánicas del soporte a las de los tejidos del organismo receptor.
15. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde comprende además una etapa de esterilización.
16. Método según la reivindicación anterior, donde la esterilización se realiza mediante una de las siguientes técnicas:
-
por vapor,
-
por óxido de etileno,
-
por radiación,
-
por plasma,
-
por dióxido de carbono en estado supercrítico.
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17. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material del substrato es un material biológico, seleccionado entre colágeno, almidón, quitina, celulosa, algas, agar, fibrina, cera, resina, seda de araña y alginato.
18. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 16, donde el material del substrato se elige entre
-
un polímero bioinerte,
-
un cerámico bioinerte,
-
un cerámico bioactivo,
-
un metal o aleación bioinerte,
-
un metal o aleación bioactiva.
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19. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 16, donde el material elegido es un polímero con memoria configurado para adoptar temporalmente una forma más plana favoreciendo recubrimientos superficiales de acuerdo con su temperatura de activación.
20. Substrato para crecimiento de células y tejidos caracterizado por que al menos una de sus caras presenta una superficie fractal con dimensión fractal de valor mayor que 2 y menor que 3, estando dicha superficie fractal generada de acuerdo con la morfología del tejido original.
21. Sustrato según reivindicación anterior, caracterizado por que la superficie fractal está generada para reproducir el tamaño de las irregularidades, la porosidad y/o la rugosidad de la superficie del tejido original.
22. Sustrato según reivindicación anterior, donde el espesor del substrato es superior o igual a un 1 micrómetro e inferior o igual a 20 milímetros.
23. Sustrato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 20 a 22, caracterizado por que comprende al menos un recubrimiento.
24. Sustrato según la reivindicación 23, donde el recubrimiento es un hidrogel que contiene agentes antibióticos y/o de factores de crecimiento
25. Sustrato según la reivindicación 23, donde el recubrimiento es una solución acuosa que contiene agentes antibióticos y/o de factores de crecimiento.
26. Sustrato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 31 a 36, caracterizado por que comprende un material biológico.
27. Sustrato según la reivindicación 26, donde el material biológico está seleccionado entre al menos uno de los siguientes: colágeno, almidón, quitina, celulosa, algas, agar, fibrina, cera, resina, seda de araña y alginato.
28. Sustrato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 20 a 25, donde el material del substrato comprende uno de los siguientes materiales:
-
un polímero bioinerte,
-
un cerámico bioinerte,
-
un cerámico bioactivo,
-
un metal o aleación bioinerte,
-
un metal o aleación bioactiva,
-
polímero con memoria.
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29. Molde para la obtención de un substrato para crecimiento de células y tejidos caracterizado por que contiene una cavidad para generar una superficie fractal con dimensión fractal de valor mayor que 2 y menor que 3, estando dicha superficie fractal generada de acuerdo con la morfología del tejido original.
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