ES2858483B2 - Composicion termoplastica basada en zeina para manufactura aditiva - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

COMPOSICIÓN TERMOPLÁSTICA BASADA EN ZEÍNA PARA MANUFACTURA ADITIVA

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a una composición termoplástica basada en zeína plastificada con PEG que es especialmente adecuada para los procesos de manufactura aditiva, y en particular, para la fabricación de dispositivos biomédicos tales como implantes, tejidos y órganos artificiales y soportes para la liberación controlada de fármacos. Por tanto, la presente invención se puede englobar dentro del sector de los artículos de uso médico y quirúrgico.

Estado de la técnica

La manufactura aditiva o impresión 3D es una técnica de fabricación que construye objetos tridimensionales mediante la deposición de materiales en capas a partir de un modelo digital. Existen varias técnicas de impresión 3D, entre ellas las más convencionales son el modelado por deposición fundida (MDF), donde el objeto tridimensional se construye a partir de un polímero termoplástico que se deposita en fundido capa por capa o el sinterizado selectivo por láser (SLS), donde el termoplástico se utiliza en forma de polvo y un láser de alta potencia sinteriza el polvo causando que las partículas se fusionen y solidifiquen.

Esta técnica resulta especialmente atractiva para las aplicaciones biomédicas. En la actualidad la impresión 3D constituye una alternativa muy prometedora a los métodos tradicionales de producción de dispositivos biomédicos. Son numerosas las publicaciones científicas que resaltan la capacidad de la manufactura aditiva para salvar las limitaciones que presentan métodos tradicionales como el “molding”, “electrospinning”, “solvent casting”, “gasfoaming”, “leaching” etc. en la fabricación de productos médicos. Existe además un gran número de aplicaciones en el campo de la medicina en las que la impresión 3D presenta un enorme potencial, como son:

a) la creación de estructuras 3D (implantes dentales o protésicos, órganos artificiales) utilizando modelos digitales obtenidos con técnicas como la tomografía o la resonancia magnética;

b) el desarrollo de “scaffolds” porosos para ingeniería de tejidos con mejores propiedades mecánicas y de biocompatibilidad;

c) la fabricación de sistemas de liberación transdérmica o de tratamientos tópicos personalizados;

d) el desarrollo de medicamentos 3D, etc.

Sin embargo, aunque las ventajas y las posibles aplicaciones de la manufactura aditiva en medicina son innumerables, existen aún muchos retos y dificultades que superar. Por ejemplo, uno de los mayores retos que se plantean hoy en día es la escasez de biomateriales imprimibles en 3D. La mayoría de los materiales que se comercializan en la actualidad para impresión 3D no combinan propiedades de biodegradabilidad y biocompatibilidad, lo que les hace inadecuados para su utilización en ciertas aplicaciones médicas como puede ser la liberación controlada de fármacos o la creación de “scaffolds” (soportes que se pueden utilizar en clínica para ayudar a regenerar, por ejemplo, huesos) para ingeniería de tejidos.

Existe por lo tanto en la actualidad una gran demanda de nuevos biomateriales que puedan ser aplicados en las diferentes técnicas de impresión 3D, para cubrir aplicaciones biomédicas en las que propiedades como biocompatibilidad y biodegradabilidad en el cuerpo humano son esenciales. Por otra parte, la mayor conciencia y responsabilidad medioambiental, así como el creciente rechazo a los plásticos producidos a partir de derivados del petróleo, hace que actualmente exista también una gran demanda de plásticos que sean biodegradables pero que además puedan ser producidos a partir de fuentes orgánicas renovables.

El documento WO2015/117977 describe “stents” obtenidos por extrusión de una mezcla de almidón y glicerol, que se usan para obstrucciones ductales. El documento WO2009/130215 describe una composición basada en almidón mezclado con zeína que se usa para obtener artículos médicos tales como implantes o catéteres mediante procesos termo-mecánicos.

Posteriormente, Chaunier, L. et al., reportaron el uso de la zeína mezclada con glicerol en procedimientos de impresión en 3D (“3D printing of maize protein by fused deposition modeling”, AIP Conference Proceedings 1914, 190003 (2017)). Sin embargo, este desarrollo presenta serias limitaciones, puesto que la zeína plastificada se muestra normalmente reactiva a las temperaturas necesarias para llevar a cabo el proceso de impresión en fundido (en torno a 130 °C). La zeína es una proteína y, cuando se expone a esas temperaturas de procesado, se producen agregaciones o entrecruzamiento mediante la formación de puentes disulfuro lo que provoca que el material fundido se rigidice. Este fenómeno exige tiempos de procesado muy cortos (en torno a 1 min.), ya que tiempos más largos de procesado (10 min.) resultan en la gelificación del material fundido. Esto dificulta o limita la aplicación de este tipo de materiales en procesos de MDF.

Teniendo esto en cuenta, existe una necesidad de encontrar un material natural, biocompatible y biodegradable que, por sus características, sea aplicable en tecnologías como la impresión 3D para fabricar implantes y otros artículos médicos.

Descripción de la invención

Los autores de la presente invención han desarrollado una composición basada en zeína con polietilenglicol (PEG) que hace de plastificante. Esta plastificación de la zeína provoca una estabilidad termo-mecánica de su estructura proteica, lo que la hace más adecuada para procesos de manufactura aditiva en los que se manejan altas temperaturas. Las propiedades del PEG empleado (peso molecular, polaridad, etc.) pueden ser variables y adaptarse según las condiciones del proceso, ya que influyen en su compatibilización con la zeína y, por lo tanto, en la estabilidad termo-mecánica de la mezcla final.

Por tanto, un primer aspecto de la presente invención se refiere a una composición termoplástica para la manufactura aditiva que comprende zeína y PEG.

La zeína es una proteína rica en glutamina, leucina, prolina y alanina. Tiene una naturaleza hidrofóbica y por tanto una baja solubilidad en agua debido a su gran contenido en aminoácidos no polares.

El peso molecular del PEG empleado afecta a las propiedades finales de la composición de la invención. En una realización preferida, PEG tiene un peso molecular de entre 200 y 106 g/mol. En una realización más preferida, el PEG tiene un peso molecular de entre 300 y 1000 g/mol. En una realización aún más preferida, el PEG tiene un peso molecular de 400 g/mol.

La proporción entre la zeína y el PEG también es importante para obtener una composición con propiedades adecuadas para la aplicación de la manufactura aditiva. En una realización preferida, la proporción de PEG en peso respecto a la composición total es de entre un 5 a un 60%. En una realización más preferida, de entre un 20 a un 55%, y en una realización aún más preferida, de un 50%.

En una realización preferida, la zeína tiene una Tg de entre 80 °C y 160 °C.

Otro aspecto de la invención se refiere a un dispositivo biomédico que comprende la composición anteriormente descrita.

En la presente invención, se entiende como "dispositivo médico o biomédico” un artículo, instrumento, aparato o máquina utilizado en la prevención, el diagnóstico o el tratamiento de una enfermedad o condición, o para detectar, medir, restaurar, corregir o modificar la estructura o función del cuerpo con fines de salud. Típicamente, el propósito de un dispositivo médico no se logra por medios farmacológicos, inmunológicos o metabólicos.

Ejemplos no limitantes de dispositivos biomédicos son implantes, prótesis, tejidos u órganos artificiales, parches para reparación de tejidos, matrices para adsorción/desorción de sustancias activas, matrices para liberación sostenida de fármacos, "scaffolds" para ingeniería de tejidos, catéteres, "stents” o medicamentos.

Otro aspecto de la invención se refiere al uso de la composición anteriormente descrita, para la fabricación de un artículo mediante manufactura aditiva. Particularmente, este artículo es un dispositivo biomédico.

En la presente invención, se entiende como "manufactura aditiva” a un proceso de agregar o unir materiales, habitualmente capa por capa, para crear objetos a partir de modelos diseñados mediante un software. Algunos sinónimos son impresión 3D, fabricación aditiva, procesos aditivos, manufactura por capas o layers o fabricación de forma libre.

Otro aspecto de la invención se refiere a un método para la fabricación de un artículo, en particular, un dispositivo biomédico, mediante manufactura aditiva que comprende la adición de una composición termoplástica de acuerdo con la invención. En una realización preferida, dicho método puede ser, por ejemplo, modelado por deposición fundida (MDF) o sinterizado selectivo por láser (SLS).

Descripción de las figuras

Figura 1. Análisis termogravimétrico (TGA) de zeína en aire, a 10 °C/min.

Figura 2. Análisis termogravimétrico (TGA) de glicerol en aire, a 10 °C/min.

Figura 3. Análisis termogravimétrico (TGA) de la formulación zeína-glicerol (50%), en aire a 10 °C/min.

Figura 4. Evolución de las propiedades reológicas de la formulación zeína-glicerol (50%) en el rango de temperaturas comprendido entre 120 °C y 180 °C.

Figura 5. Evolución de las propiedades reológicas de la formulación zeína-glicerol (50%) en un ensayo a 130 °C durante 2 h.

Figura 6. Análisis termogravimétrico (TGA) de PEG 400, en aire a 10 °C/min.

Figura 7. Análisis termogravimétrico (TGA) de la formulación zeína-PEG 400 (50%), en aire a 10 °C/min.

Figura 8. Evolución de las propiedades reológicas de la formulación zeína-PEG 400 (50%) en el rango de temperaturas comprendido entre 80 °C y 180 °C.

Figura 9. Evolución de las propiedades reológicas de la formulación zeína/PEG 400 (50%) en un ensayo a 130 °C durante 2h.

Figura 10. Demostradores de implantes para liberación de fármacos impresos con impresora MDF, de diámetro ~0,5 mm.

Figura 11. Termogramas en aire, a 10 °C/min de demostradores obtenidos: (1) durante la primera hora de impresión, (2) a tiempos de impresión superiores a una hora.

Ejemplos de realización de la invención

Ejemplo 1: preparación de las composiciones de zeína plastificada.

La zeína en polvo según se recibe, sin ningún tratamiento previo, se mezcla con 0,5 gr de plastificante (glicerol o PEG 400) por cada gr de zeína, en un vaso de precipitados con una espátula a temperatura ambiente. La homogenización y compatibilización de la mezcla así obtenida, se completa incrementando la temperatura de mezclado en torno a 110-120 °C, durante un periodo corto de tiempo.

Ejemplo 2: estudio de las composiciones

A) Composición zeína y glicerol

Se desarrollaron formulaciones con diferentes proporciones de glicerol, desde un 5% hasta un 50% obtenidas como se ha explicado en el ejemplo 1. De todas las formulaciones desarrolladas, se encontró que el material con las propiedades más adecuadas para su aplicación en impresión por deposición en fundido (MDF) era la formulación basada en zeína con un 50% de glicerol. Esta elección se hizo en base a las propiedades térmicas y reológicas del material. Mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) se detectó la Tg del material alrededor de 50 °C. Mediante análisis termogravimétrico (TGA), se estudió la estabilidad térmica del material.

La Figura 1 muestra el análisis termogravimétrico de la zeína, realizado en aire a 10 °C/min en un rango de temperaturas comprendido entre 30-600 °C. La zeína muestra una temperatura inicial de descomposición (Tdonset) en torno a 180-200 °C, y dos temperaturas máximas de descomposición: Td1max~300 °C y Td2max~500 °C.

La Figura 2 muestra el análisis termogravimétrico del glicerol, realizado en aire a 10 °C/min en un rango de temperaturas comprendido entre 30-500 °C. Para el glicerol el Tdonset~125 °C y la Td max ~230°C.

La Figura 3 muestra el análisis termogravimétrico de la mezcla zeína/glicerol (50% glicerol), realizado en aire a 10 °C/min en un rango de temperaturas comprendido entre 30-700 °C. En el termograma se observa la degradación de la mezcla como una perdida continua en masa, en la que se pueden distinguir las Tdmax de ambos componentes, para el glicerol ~230 °C y para la zeína ~300 °C y 500 °C. La temperatura inicial de descomposición (Tdonset) de la mezcla se observa en torno a 125 °C.

La zeína, como la mayoría de las proteínas, experimenta entrecruzamiento térmico durante tratamientos termo-mecánicos. Este entrecruzamiento tiene lugar a temperaturas por encima de 120 °C, principalmente debido a la oxidación térmica de los grupos -SH de la cisteína (formando grupos disulfuro), que representan sobre el 1% del total de los aminoácidos que constituyen la estructura primaria de la zeína. El entrecruzamiento puede aumentar la viscosidad y el módulo elástico del material en el fundido a elevadas temperaturas. Este fenómeno se puede monitorizar a través de ensayos de reología rotacional. Se estudió así el comportamiento viscoelástico mediante análisis reológico de la formulación de zeína/glicerol (50%).

En la Figura 4 se muestra la variación de la viscosidad compleja (^*), módulo elástico (G'), módulo complejo (G”) y tan (5), en función de la temperatura para esta muestra, en un rango de temperaturas comprendido entre 120 °C y 180 °C. Se observa que G”> G' a lo largo de todo el ensayo, lo que indica que el material se encuentra en el estado fundido en todo el rango de temperaturas estudiado. Al aumentar la temperatura, el módulo elástico (G') disminuye lo que indica que disminuye la rigidez del material. A partir de ~160 °C, G' empieza a aumentar indicando un aumento de la rigidez del material. La viscosidad compleja (^*) sigue una tendencia similar con la temperatura, disminuye progresivamente y empieza a aumentar a partir de cierta temperatura (~170 °C).

La Figura 5 muestra la evolución de las propiedades reológicas (viscosidad compleja (^*), módulo elástico (G') y módulo viscoso (G”)), de una muestra de zeína/glicerol (50% de glicerol) a 130 °C durante 2h. Este ensayo reológico simularía en cierta medida el tratamiento termo-mecánico que experimenta el material durante su utilización en la impresora MDF. Se observa un aumento paulatino de la viscosidad del material (■q*), el módulo elástico (G') y módulo complejo (G”) durante el tratamiento térmico a 130 °C durante 2h. Se observa que G”> G' a lo largo de todo el ensayo, lo que indica que el material permanece en estado fundido. Sin embargo, el aumento en G' y

son muy significativos, lo que muestra claramente que el tratamiento prolongado de este material a la temperatura de impresión (130 °C) provoca un aumento notable en la rigidez del material y en la viscosidad del fundido. Este aumento progresivo en

y G' puede ser debido a procesos de agregación y entrecruzamiento en la zeína (formación de puentes disulfuro entre los grupos -SH de la cisteína), como se reporta en la bibliografía.

B) Composición zeína y PEG

Se estudió también la plastificación de la zeína con diferentes proporciones de PEG 400. En particular, se estudió en detalle la formulación basada en un 50% de PEG 400, para poder realizar una comparativa con el material basado en un 50% de glicerol.

La Figura 6 muestra el análisis termogravimétrico del plastificante PEG 400, realizado en aire a 10 °C/min en un rango de temperaturas comprendido entre 30-350 °C. El Tdonset se observa en torno a ~150 °C y la Tdmax ~235 °C.

La Figura 7 muestra el análisis termogravimétrico de la mezcla zeína/PEG 400 (50%), realizado en aire a 10 °C/min en un rango de temperaturas comprendido entre 30-600 °C. El Tdonset se observa en torno a ~180-200 °C y Tdmax1~320 °C, Tdmax2~400 °C.

La Figura 8 muestra la variación de la viscosidad compleja (rf*), módulo elástico (G'), módulo complejo (G”) y tan (5), en función de la temperatura, en un rango de temperaturas comprendido entre 80°C y 180°C. Se observa que G”> G' a lo largo de todo el ensayo, indicando que el material se encuentra en el estado fundido. De nuevo para este material, al aumentar la temperatura, el módulo elástico (G') disminuye lo que indica que disminuye la rigidez del material. A partir de ~160°C, G' deja de disminuir. La viscosidad compleja (rf*) disminuye progresivamente con la temperatura en todo el rango de temperaturas considerado.

La Figura 9 muestra la evolución de las propiedades reológicas (viscosidad compleja (rf*), módulo elástico (G') y módulo viscoso (G”)), de la muestra de zeína/PEG 400 (50%) a 130°C durante 2h.

Ejemplo 3: comparativa de las composiciones

Estabilidad térmica:

Si se comparan los análisis termogravimétricos (TGAs) de las formulaciones de zeína/glicerol (50%) y zeína/PEG 400 (50%), se puede observar que la mezcla zeína/PEG 400 presenta una mayor estabilidad térmica. La temperatura inicial de descomposición (Tdonset) para este material está en torno a 180-200 °C, similar a la matriz polimérica de partida (zeína). Sin embargo, el material basado en zeína/glicerol (50%) presenta una Tdonset ~125 °C, mucho más baja y cercana a la temperatura de procesado por MDF, lo que podría comprometer su estabilidad térmica durante el proceso de impresión.

Estabilidad termo-mecánica:

Los datos de ^*, G’ y G’’ obtenidos para la composición de zeína-glicerol y zeína-PEG 400 y su variación en el tiempo se recogen en la Tabla 1:

Tabla 1: Variación de la viscosidad compleja (rf*), módulo elástico (G') y módulo complejo (G”) en un ensayo a 130 °C durante 2h, para las formulaciones zeína/glicerol (50%) y zeína/PEG 400 (50%).

Para la composición zeína/glicerol, se observa que G' aumenta más rápidamente que G”, y a tiempos ligeramente superiores a 2h previsiblemente se alcanzará un punto en el que G'=G”, descrito en la bibliografía como punto de “gelación”, que indica la formación de una “red” en el material debido a los procesos de entrecruzamiento. Este fenómeno también fue observado por Chaunier, L. et al., en “3D printing of maize protein by fused deposition modeling”, AIP Conference Proceedings 1914, 190003 (2017)), donde describen la utilización de una zeína plastificada con un 20% de glicerol para procesos de impresión MDF. Los autores observan este punto de gelación a tiempos más cortos (cercanos a 1h), en ensayos reológicos llevados a cabo a 130 °C sobre una muestra de zeína/glicerol (20%) (zeína comercializada por Aldrich). El aumento de la viscosidad en el fundido a lo largo del tiempo de manera tan significativa limita en gran medida la utilización de este material en aplicaciones que requieran su procesado en el fundido, como es el caso de la MDF.

Para la composición zeína/PEG, se puede observar que la muestra zeína/PEG 400 (50%) presenta una mayor estabilidad termo-mecánica que la muestra análoga basada en glicerol. Las propiedades viscoelásticas del material se mantienen más estables en el tiempo cuando la muestra es sometida a un tratamiento térmico a 130 °C. El módulo elástico (G') experimenta un incremento mucho menor con el tiempo, en comparación con la muestra formulada con glicerol. Además, la viscosidad (q*) permanece constante en las dos horas de ensayo, a diferencia de lo observado anteriormente para la muestra con glicerol.

Por lo tanto, en base a los estudios térmicos y reológicos realizados, el material termoplástico basado en zeína plastificada con PEG 400, parece presentar una mejor tolerancia a la temperatura. El proceso de agregación y entrecruzamiento que se observa de forma evidente para la muestra zeína/glicerol (aumento significativo del módulo elástico G' y de la viscosidad compleja q*) cuando el material es tratado a 130 °C, no se observa para la muestra zeína/PEG 400 para las mismas condiciones de ensayo.

La mejora de la estabilidad termo-mecánica en el caso del PEG frente al glicerol, puede ser debida a una mejor compatibilización del agente plastificante con la matriz polimérica, y esto está directamente relacionado con las características del plastificante: polaridad, peso molecular, “forma” de la molécula, etc.

Teniendo en cuenta la comparativa de los resultados entre la composición conocida en el estado del arte (zeína-glicerol) y la composición de la invención (zeína-PEG), se observa claramente que la última presenta ventajas superiores para aplicaciones que requieren temperaturas elevadas como la MDF.

Ejemplo 4: pruebas de impresión mediante MDF

Las pruebas de impresión se realizaron con una impresora de MDF basada en el empleo de granza. Las formulaciones de zeína plastificada preparadas se trituraron en trozos pequeños y se adicionaron a la impresora.

La prueba de impresión con la mezcla zeína-glicerol (50%) se llevó a cabo a 130 °C, con una boquilla de 0,4 mm. Se imprimieron demostradores de implantes para liberación de fármacos. En la Figura 10 se muestra el hilo formado de zeína-glicerol durante este proceso de impresión.

Los demostradores obtenidos durante aproximadamente la primera hora de impresión presentaron una buena apariencia. El material en estos demostradores iniciales se asemejaba visual y mecánicamente al material de partida, con el que se alimenta la impresora. Se realizó TGA de estos demostradores obtenidos durante la primera hora de impresión (ver figura 11(1)), y se obtuvieron termogramas similares al obtenido para el material de partida. Sin embargo, para tiempos más largos de impresión, los demostradores presentaron una apariencia muy diferente, mucho más frágil y en general muy diferente al utilizado de partida.

Se realizó también TGA de estos demostradores obtenidos a tiempos más largos (ver figura 11(2)) y se observó una diferencia muy notable. Se distinguen ahora las pérdidas en masa correspondientes a la zeína, pero además se distingue una pérdida en masa inicial que apenas se solapa con las pérdidas asociadas a la zeína, y que tiene que ser debida al glicerol. Sin embargo, el intervalo de temperaturas en el que se produce esta pérdida (100-200 °C), no coincide con el observado inicialmente para este componente. Apenas hay solapamiento de ambas pérdidas, como se observaba en la mezcla de alimentación de la impresora, así como en los demostradores obtenidos a tiempos cortos de impresión. Los dos componentes de la mezcla no parecen estar compatibilizados como lo estaban inicialmente. El glicerol después del tratamiento termo-mecánico prolongado en la impresora, parece haberse segregado, ya no está ejerciendo su papel plastificante.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Composición termoplástica para la manufactura aditiva que comprende zeína y polietilenglicol (PEG).

2. Composición según la reivindicación 1, donde el PEG tiene un peso molecular de entre 200 y 106 g/mol.

3. Composición según la reivindicación anterior, donde el PEG tiene un peso molecular de entre 300 y 1000 g/mol.

4. Composición según la reivindicación anterior, donde el PEG tiene un peso molecular de 400 g/mol.

5. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende entre un 5 a un 60% de PEG en peso respecto a la composición total.

6. Composición según la reivindicación anterior, que comprende entre un 20 a un 55% de PEG en peso respecto a la composición total.

7. Composición según la reivindicación anterior, que comprende un 50% de PEG en peso respecto a la composición total.

8. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la zeína tiene una Tg de entre 80 °C y 160 °C

9. Dispositivo biomédico que comprende la composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.

10. Dispositivo biomédico según la reivindicación anterior que se selecciona de entre implantes, prótesis, tejidos u órganos artificiales, parches para reparación de tejidos, matrices para adsorción/desorción de sustancias activas, matrices para liberación sostenida de fármacos, “scaffolds” para ingeniería de tejidos, catéteres, “stents” o medicamentos.

11. Uso de la composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, para la fabricación de un artículo mediante manufactura aditiva.

12. Uso según la reivindicación 11, donde el artículo es un dispositivo biomédico.

13. Método para la fabricación de un artículo mediante manufactura aditiva que comprende la adición de una composición según las reivindicaciones 1 a 8.

14. Método según la reivindicación anterior que se selecciona de entre modelado por deposición fundida (MDF) o sinterizado selectivo por láser (SLS).