Electrospun Functional Nanofibers for Antimicrobial Applications in Air Filtration and Wound Dressing
- Autores: Maria del Mar Calzado Delgado
- Directores de la Tesis: María Olga Guerrero Pérez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Málaga ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ki Ling Cheung (presid.), Terence Tsz Wai Wong (secret.), Carlos Téllez Ariso (voc.), Wei Han (voc.), King Lun Yeung (voc.), María Olga Guerrero Pérez (voc.), Henry H Y Tong (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y Eficiencia Energética por la Universidad de Málaga
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: RIUMA
- Resumen
La nanotecnología es el estudio y desarrollo de nanomateriales que han tenido un grandísimo impacto recientemente en diversas disciplinas de la ciencia e ingeniería. El diseño y síntesis de un material eficiente que actúe y funcione cómo portador o sustrato de otras sustancias, y que además tenga la habilidad de funcionar o actuar cómo un sistema de liberación de estas sustancias de forma controlada a lo largo del tiempo, son esenciales e imprescindibles para tratamientos en medicina y el cuidado de la salud en general. Además, el desarrollo de nanomateriales con propiedades terapéuticas ha sido de gran interés en los últimos tiempos, en los cuales, significantes avances se han logrado, ya que, ha sido posible la obtención de nanomateriales con un control en la síntesis de los mismos a nivel molecular, lo cual es esencial para el diseño y la obtención de nuevos fármacos, métodos de administración de los mismos y herramientas de diagnóstico entre otros.
Así pues, el nuevo concepto de biomedicina se encuentra actualmente abriendo nuevos campos de investigación, y de esta forma, nuevos métodos o rutas para la administración de fármacos y otros agentes activos. La liberación de estos agentes activos/fármacos desde nanomateriales, los cuales actúan como portadores de estas substancias, presentan varias ventajas si son comparados con los tratamientos convencionales. Estos nanomateriales, previamente cargados con fármacos u otras sustancias, actúan directamente en la zona a tratar, liberando este agente activo en una zona localizada, con la dosis precisa y necesaria, evitando que el resto del organismo sano no se vea afectado y de esta forma, disminuyendo los posibles efectos secundarios y aumentando las propiedades activas de la sustancia portada, protegiendo en la mayoría de los casos su rápida desintegración antes de tiempo.
Los nanomateriales y en particular las fibras y nanofibras, han sido y son el principal objetivo de intensos estudios debido a los potenciales usos y aplicaciones a los que estos materiales pueden ir destinados, como son medicina, electrónica, catálisis, biosensores o purificación y tratamiento de aire y agua entre muchos otros. Desde que las aplicaciones de estos materiales fueran exploradas y desarrolladas, la complejidad en la estructura y morfología de los materiales requeridos que se sintetizan han ido creciendo notablemente. De este modo, por ejemplo, las fibras en forma de multicapa permiten preparar materiales innovadores con propiedades que pueden ser moduladas, incluyendo materiales autonómicos con diversas aplicaciones en las industrias farmacéuticas y alimenticias, cómo dispersión de microcápsulas, segregación de partículas, redes microvasculares, fibras huecas o 3-dimensional nanoestructuras desarrolladas para aplicaciones en la ingeniería de tejidos, entre otras.
Por otro lado, el diseño y síntesis de nuevos materiales, combinando las técnicas de electrospinning y electrospray, ofrecen la posibilidad de obtener un amplio rango de nanomateriales multifuncionales y además esta técnica está resultando de una gran novedad y ofrece muchísimas ventajas. Estos nanomateriales pueden actuar como sustratos para portar y almacenar sustancias y mejorar así sus propiedades. Además de ser biocompatibles y biodegradables, se muestran con la posibilidad de controlar la liberación de estas sustancias de forma controlada a lo largo del tiempo, mejorando los procesos de cicatrización y la actividad antimicrobiana de los agentes activos. Igualmente, debido a la morfología de las fibras obtenidas, estos materiales pueden ser usados en técnicas de purificación de aire, no solo capturando partículas, sino, además, actuando como materiales desinfectantes o purificación de aguas, absorbiendo metales y/o otras sustancias dañinas, perjudiciales y contaminantes, entre otras muchas posibilidades.
Aunque existen diversas técnicas para la síntesis de materiales en forma de fibra, como son por ejemplo, separación de fase, dibujado, síntesis con ayuda de plantillas o auto-ensamblaje, la técnica de electrospinning ha resultado ser la más versátil y apropiada para la síntesis de estos materiales, ya que esta técnica ofrece la posibilidad de producir fibras continuas en un rango de diámetro de micro a nanómetro, controlando morfología y tamaño de fibra, además de sintetizar microestructuras en 3 dimensiones, gracias al uso de electrospinning en campo cercano. Por otro lado, ofrece la posibilidad de obtener fibras complejas mediante una técnica sencilla y el rango de materiales poliméricos y cerámicos que pueden ser usados es muy amplio con respecto al resto de técnicas. Además, la técnica de elecrospinning se encuentra en continuo estudio y mejorando constantemente para alcanzar los objetivos claves en la síntesis de materiales que tengan propiedades físicas, químicas y biológicas, en muchos casos, para así ajustarse de la mejor forma posible a cualquier aplicación deseada.
La técnica de electrospinning es un simple y versátil método utilizado para la fabricación de fibras que pueden obtenerse en un amplio rango de diámetro de fibra. Esta técnica tiene su origen en el proceso de electrospray. Ambas, utilizan el principio de aplicar un potencial eléctrico a una disolución o líquido polimérico que es conductor. El alto voltaje aplicado, carga la gota en la punta de aguja metálica que tiene una cierta polaridad. El chorro de líquido es acelerado hasta el colector metálico, que tiene carga opuesta a la aguja metálica. La principal diferencia entre electrospinning y electrospray se encuentra en las propiedades de la disolución polimérica utilizada. Cuando se aplica el potencial eléctrico a la disolución, el chorro se rompe debido a la baja tensión superficial en gotas de polímero que son recogidas en el colector. Este método se conoce como electrospray o electro-pulverizador y se utiliza en la síntesis de nanopartículas de aerosoles con aplicaciones en métodos de calibrado de instrumentación de aerosoles, pulverizadores electrostáticos o producción de polvos cerámicos desde fase liquida, entre otros. Por otro lado, hablamos de electrospinning si la disolución polimérica utilizada tiene una viscosidad adecuada y el chorro cargado gracias al potencial eléctrico, se elonga o estira hacia el colector metálico. Debido al equilibrio creado entre las fuerzas viscoelásticas y tensión superficial de la disolución, la gota en la punta de la aguja se alarga en forma de cono conocido como el cono de Taylor, el chorro sigue su recorrido hacia la placa metálica, donde el disolvente usado en la preparación de la disolución polimérica se evapora durante su trayectoria y las fibras solidas se recogen en el colector.
Aunque la técnica de electrospinning puede resultar técnicamente simple y fácil de usar para la síntesis de estos materiales electrohilados, hay ciertos parámetros y factores esenciales que están envueltos en el proceso y diferentes requisitos que deben ser estudiados en profundidad para conseguir un material con la morfología, porosidad y estructura deseada, entre otras características.
Las propiedades de la disolución polimérica, como son la concentración, el peso molecular, viscosidad, conductividad o tensión superficial de la misma, así como parámetros de proceso que controlan las variables externas del equipo, como son el potencial eléctrico, la distancia entre aguja y colector, caudal de flujo y finalmente, aunque hay algunos más, parámetros medioambientales como son la humedad, velocidad del aire o temperatura, deben ser optimizados para obtener una morfología deseada en el material final electrohilado, como por ejemplo, una superficie homogénea y libre de gotas o áreas con parches.
Otro importante factor para considerar es el polímero usado para la preparación de estos materiales. En este sentido, el uso de biopolímeros para la síntesis de nanofibras y fibras compuestas ha crecido significantemente con el propósito principal de usar fuentes más sostenibles debido a las características biocompatibles y a la controlabilidad morfológica y química de los mismos. Existen además diversas aplicaciones biomédicas para usar estos materiales como son por ejemplo el uso de apósitos para la cicatrización y cura de heridas, liberación de fármacos de forma controlada o la regeneración de tejidos y huesos entre muchos otros.
Ambas técnicas usadas para la síntesis de estos materiales descritas anteriormente han sido uno de los objetivos principales de la presente tesis doctoral, la cual se divide en 7 capítulos. El primer capítulo desarrolla una breve introducción en el ámbito de la nanotecnología, nanomateriales y se centra principalmente en la síntesis de materiales en fibras y fibras compuestas con un enfoque a aplicaciones biomédicas. Además, este capítulo realiza una clara y concisa introducción a las técnicas de electrospinning y electrospray, llevando de esta forma una mayor y contundente información al lector, mostrando las ventajas en el uso de la técnica con respecto a otras técnicas existentes para la síntesis de materiales en forma de fibra.
Por otra parte, el primer capítulo también ofrece una introducción y descripción a los materiales que se han utilizado para las síntesis de las muestras que se explican a lo largo de la presente tesis doctoral. Estos materiales, como bien se han nombrado con anterioridad son básicamente polímeros biodegradables y biocompatibles, ya que las aplicaciones principales de los materiales han sido enfocadas al uso de aplicaciones biomédicas. Otro material de mayor relevancia y novedad utilizado en la síntesis de los materiales son los llamados MOF (Metal-Organic-Frameworks). Estos materiales están formados por una matriz regular de iones metálicos cargados positivamente y rodeados de moléculas orgánicas que actúan como enlazadores o conectores. La secuencia de conexión entre metales y enlazadores se repite en el espacio, creando estructuras cristalinas. Una de las características más importantes de estos materiales es la elevada área superficial y porosidad. Además, los grupos funcionales pueden ser fácilmente reemplazados y modificados, al igual que su porosidad, lo que aporta al material con características más relevantes para obtener una mayor capacidad de absorción de ingredientes activos y que a su vez, estos puedan ser liberados de una forma más controlada a lo largo del tiempo, con vistas a ser utilizados en aplicaciones biomédicas.
Sin embargo, el uso de materiales MOF no se aplica directamente aislado en la presente tesis doctoral. Estos materiales se sintetizan de forma combinada con las fibras poliméricas para finalmente obtener un material novedoso que combine, se ajuste y tenga las propiedades de ambos materiales, ofreciendo así un mayor número de ventajas y características al material final. Por otro lado, para otorgar una mayor novedad al material combinado, la síntesis del mismo y su aplicación no ha sido totalmente explorada por otros autores. Básicamente, la mayoría de los autores sintetizan estos materiales con ácidos corrosivos y bajo parámetros de alta presión y temperatura, y aplicados principalmente a absorción y eliminación de metales en aguas u otros medios acuosos, a purificación de aire o incluso en catálisis. En la presente tesis, en el capítulo correspondiente a la síntesis de este material combinado, se explica de forma clara y concisa su preparación para obtener un material no dañino, no toxico y biocompatible para su uso en aplicaciones biomédicas, como por ejemplo en ciertas aplicaciones dentales, dejando la ventana abierta para su uso en otras aplicaciones futuras.
El segundo capítulo de la presente tesis doctoral describe el diseño y puesta en marcha de un nuevo y versátil equipo de electrospinning que trabaja controlando el movimiento a la vez de los ejes X-Y-Z durante la síntesis de las fibras y fibras compuestas, fácil de usar y de bajo coste. Los equipos comerciales de electrospinning normalmente están limitados a la hora de sintetizar ciertos materiales y es complicado o casi imposible encontrar un equipo que sea capaz de combinar todos los parámetros para el control de síntesis en ambos campos, lejano y cercano a la vez. Este control, permite la síntesis de arquitecturas en tres dimensiones y a la vez superar la producción en masa, hablando desde una escala a nivel de laboratorio siempre. Con la metodología propuesta, el nuevo equipo de electrospinning puede llegar a ser incluso más accesible por muchos grupos de investigación gracias a su versatilidad, ya que esta funcionalidad ayudaría a desarrollar más aplicaciones basadas en nanomateriales con estructuras más complejas preparadas mediante esta técnica de electrohilado.
Ya que la complejidad de los materiales para ser preparados y el número de aplicaciones incrementa constantemente, la complejidad en el diseño del equipo también debe ir creciendo al mismo ritmo. El control durante el procedimiento de síntesis permitiría modular las propiedades y morfología de los materiales preparados, siendo necesario además controlar varios parámetros durante dicho procedimiento a tiempo real. Teniendo en cuenta esto, diferentes intentos han sido llevados a cabos para mejorar la controlabilidad de ciertos parámetros durante el proceso de electrohilado. Existen estudios sobre la inestabilidad que se crea en la gota de la disolución polimérica en la salida de la aguja conocida como el cono de Taylor, en la cual, a través de diversos cálculos se propone un diseño sobre el comportamiento del chorro inicial que se genera del mismo. De esta manera, el diámetro y área de deposición de las fibras electrohiladas podrían ser controladas mediante una tecnología de campo magnético asistido. En otro estudio, se utilizó un método de electrospinning de reactivo de un solo paso totalmente acuoso para la síntesis de andamios de hidrogel controlando la morfología en nano y microescala. De esta forma, se obtuvieron y formaron tuneadas perlas de diferentes tamaños a partir de fibras puras dentro de la estructura de gel usadas en aplicaciones biomédicas. Además de la controlabilidad, la precisión es también un parámetro determinante cuando hay que diseñar un equipo de electrospinning. Para poder controlar de una forma precisa el hilo de electrohilado, es de vital importancia manipular el campo eléctrico de una manera eficaz. Con este propósito, algunos autores han descrito un diseño novedoso en el cual un electrodo en forma de pin, positivamente cargado, se mueve sobre el colector estacionario, redistribuyendo el campo eléctrico y controlando la trayectoria y deposición del chorro. Por otro lado, otros autores, estudiaron los parámetros durante el proceso de biomateriales para la formación de estructuras en tres dimensiones a través de impresión directa de fibras electrohiladas usando el efecto piroeléctrico. Continuando con otros aspectos importantes en el diseño de un equipo multifuncional de electrospinning, otro parámetro a considerar es la versatilidad de este. De esta manera, diferentes nanomateriales pueden ser preparados con el mismo equipo. Por ejemplo, coaxial y/o electrohilado de emulsión, permiten la síntesis de materiales con varias y diferentes morfologías y propiedades desde dos o más disoluciones poliméricas que permiten la encapsulación de fármacos y otros principios activos. A través de esta idea, autores desarrollaron un equipo de electrospinning convencional pero mejorado con una configuración de impresión en tres dimensiones que permitía el control sobre los tres ejes de movimiento.
Estos ejemplos, descritos anteriormente, muestran los nuevos factores de electrohilado que son requeridos para alcanzar propiedades únicas como son la versatilidad, controlabilidad y precisión en la síntesis de nanofibras. Para dar un paso más allá, alcanzar y conseguir todas las propiedades mencionadas, el presente capítulo propone un nuevo diseño que puede ser utilizado como un equipo de electrospinning convencional, ya que, es posible fijar los parametros de distancia y otros de forma manual, pero con la ventaja de que también ofrece la posibilidad de usar un sistema de programación para mover los tres ejes de movimiento (X-Y-Z), mejorando y obteniendo una mayor cantidad de material que puede ser sintetizada. Esto es una gran ventaja con respecto al resto de equipos que han sido ya descritos. Además, esta configuración permite cambiar la distancia entre aguja y colector, además de la velocidad de los tres ejes y los patrones de movimiento, durante la síntesis.
Gracias al control en el movimiento y velocidad de los ejes mencionados anteriormente, una vez que el equipo ha sido optimizado, la placa colectora y el soporte de la aguja pueden seguir diferentes patrones de movimiento que previamente han sido programados mediante Arduino, abriendo así la posibilidad de obtener materiales de diversas morfologías, tamaños y lo más importante, obtener el material deseado para la aplicación buscada. Los patrones de movimiento pueden ser fácilmente intercambiados para la obtención del material deseado. De otra forma, el nuevo equipo ofrece la posibilidad de obtener estructuras en tres dimensiones, trabajando en campo cercano, en el cual la distancia entre aguja y colector alcanza pocos milímetros. Gracias a que los componentes del equipo pueden ser reemplazados fácilmente, la posibilidad o abanico de opciones a la hora de desarrollar y obtener materiales es muy amplio. Por ejemplo, el soporte de la aguja puede sostener varias agujas a la vez y de esta forma sintetizar materiales de forma dual, combinando electrospray y electrospinning, materiales coaxiales, o mezcla de diferentes fibras procedentes de diferentes polímeros. El trabajo realizado en este capítulo ha sido publicado en Scientific Reports, una revista procedente de Nature, además de previamente haber sido patentado a través de la universidad de primera estancia, The Hong Kong University of Science and Technology, en Hong Kong.
En el tercer capítulo se explica y se muestran los resultados obtenidos de la síntesis de nanofibras electrohiladas con una alta eficacia de filtración y excelente actividad antimicrobiana. Además, las nanofibras electrohiladas han sido morfológica y químicamente mejoradas para obtener propiedades en las que resistan extremas condiciones cuando son expuestas a elevadas condiciones de humedad y a ser sumergidas en medios acuosos y evitar su desintegración o disolución.
Los materiales con alta capacidad de filtración han sido ampliamente estudiados en los últimos años debido al incremento en los niveles de contaminación del medioambiente y especialmente, en aquellas diferentes zonas en las que hay una mayor población del planeta. La materia particulada o materia de contaminación (Particulate matters o pollution matters (PM) en inglés) pueden ser partículas sólidas, gotas líquidas o una mezcla de todos ellas, presentes en el aire que pueden causar muchas enfermedades infecciosas en humanos y animales, incluso más cuando estas PM contienen microorganismos adjuntos o atrapados en ellos.
Recientemente, la importancia en mantener el aire limpio ha adquirido una significante demanda, mucho más, con la aparición del Covid-19 en los últimos años y la emergente necesidad de parar su propagación. La nanotecnología ofrece mejoras en muchos sistemas de filtración mediante la síntesis de novedosos y funcionales nanomateriales. Estos nanomateriales con propiedades antimicrobianas sintetizados mediante la adicción de biocidas en sus formulaciones paran radicalmente el crecimiento de las bacterias en la superficie de muchos productos y otras superficies también. De esta forma, ayudan a mantener libre de microorganismos y controlar la difusión o propagación de las bacterias y otros microorganismos.
En adición, nanomateriales con propiedades antimicrobianas tienen un gran interés para ser usados en esta aplicación porque pueden ser usados además como materiales de recubrimiento en cuero, plásticos o incluso en aceros inoxidables, entre muchos otros. Además, las nanofibras electrohiladas han mostrado tener propiedades apropiadas para ser utilizados también como agentes antimicrobianos, pero en aplicaciones tales como apósitos de desinfección y cicatrización, purificación de aire y filtración, tejidos de andamio o incluso en empaquetamiento de alimentos. Las nanofibras además pueden ser rápida y fácilmente cargadas con los agentes antimicrobianos o directamente incorporados en su formulación polimérica y de esta forma ser activos por un largo y extenso periodo de tiempo. No obstante, la técnica de electrospinning, como bien ha sido comentada con anterioridad, ofrece múltiples posibilidades para la síntesis de nanofibras con diferentes morfologías, porosidades y diversas funcionalidades, controlando los parámetros de trabajo y de formulación y además, combinando las técnicas de electrospinning y electrospray al mismo tiempo durante el proceso. Las estructuras de red de las fibras de electrohilado ofrecen numerosas ventajas en el proceso de captura de partículas y microorganismos, mejorando las actividades de filtración y antimicrobianas.
En este tercer capítulo se explica y desarrolla la síntesis de un material fibroso compuesto por una mezcla de polímeros que tiene propiedades antibacterianas y virales y cuya formulación original fue patentada por el equipo del Prof. YEUNG (uno de los supervisores del presente trabajo). La formulación original ha sido ligeramente modificada para obtener de un líquido originalmente usado para recubrir y desinfectar superficies durante un largo periodo de tiempo, a un material sólido en forma de fibras que tiene, no solo propiedades antibacterianas, sino que, además, se puede utilizar para la purificación del aire, capturando partículas y cualquier microorganismo atrapado en las partículas de polvo, aire o líquido. El material ha sido tratado mediante procesos de entrecruzamiento o reticulación que hacen que estos materiales sean resistentes en medios acuosos y lo más importante, que puedan soportar condiciones extremas de humedad. La eficacia de filtración de los materiales desarrollados en el capítulo, fueran propiamente calculados y los resultados fueron comparados con aquellos obtenidos por otros materiales que se usan para la misma finalidad. Finalmente, la actividad antimicrobiana fue analizada mediante la técnica tiempo de contacto usada contra diferentes cepas de bacterias. Este material podría ser utilizado como capa interna de mascarillas quirúrgicas o ser colocado en sistemas de purificación de aire de centros médicos, transportes públicos o incluso hogares.
El capítulo cuatro, describe la síntesis, caracterización y estudios de biocompatibilidad, así como actividad antimicrobiana de materiales en forma de fibra laminada que previamente han sido cargados con diferentes principios activos con propiedades desinfectantes. A continuación, en el capítulo cinco, se realiza la explicación exhaustiva y detallada de la aplicación elegida para estos materiales, usados cómo apósitos cicatrizantes y desinfectantes en experimentos realizados en ratones, teniendo una duración de dos semanas.
Varios protocolos y composiciones de materiales han sido explorados para ser usados como materiales de liberación controlada de fármacos y otros principios activos, usando nanofibras ya que estos compuestos pueden cargarse en las nanofibras mediante mezclas directas con los polímeros en disolución, inmovilizados en la superficie de las fibras o mediante técnicas de encapsulación. Entre todos los polímeros que pueden ser usados, polyvinyl alcohol (PVA) es un gran candidato ya que es un polímero sintético pero biocompatible y toxicológicamente seguro. Este polímero además tiene excepcionales propiedades para ser usado en aplicaciones farmacológicas y ha sido aprobado por la FDA para su uso. Además, se ha comprobado que este polímero puede ser usado para producir materiales en forma de nanofibras mediante la técnica de electrospinning sin ningún problema y obteniendo resultados muy competentes.
Existen muy pocos estudios en literatura en los que se hayan sintetizado materiales de multicapa en forma de fibras basados en la combinación de PVA con otros polímeros y su uso como apósitos cicatrizantes en heridas de la piel. Aunque se han conseguido algunos avances, no se ha descrito totalmente un material estable en medio fisiológico, al menos durante el tiempo requerido para completar un tratamiento y que permita de este modo, controlar la cantidad de fármaco o principio activo que se libere a lo largo del tiempo, preparado de un simple modo.
En este capítulo se estudia el desarrollo de un sistema novedoso para liberación de fármacos y otros principios activos basados en la combinación de PVA electrohilado y seguido de un proceso de entrelazamiento de las cadenas del polímero tratados mediante evaporación con glutaraldehyde (GA). PVA es combinado a su vez con otro polímero, hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), el cual es hidrófilo y una modificación sintética del polímero natural de celulosa. Este polímero ha sido ampliamente usado en la industria farmacéutica, alimenticia y en sistemas de control de liberación de fármacos orales.
Las muestras fueron sintetizas como combinación de tres láminas de materiales de fibras de Polyvinyl alcohol y Hydroxypropyl methylcellulose como polímeros principales. La capa interna de cada uno de los materiales preparados fue cargada con Amoxicilina, Amoxicilina/Ácido Clavulónico y otras variaciones de la Amoxicilina como son la combinación de esta con líquidos iónicos. Amoxicilina fue elegida como antibiótico principal para probar diferentes variaciones del mismo debido a que este cubre un amplio rango de bacterias gran-positiva y gran-negativa, como son las cepas de Streptococcus, Enterococcus y algunas Escherichia Coli, entre muchas otras. El anillo ß-lactam antimicrobiano presente en la molécula de amoxicilina proporciona a este reactivo unas excelentes propiedades antimicrobianas para tratar muchas enfermedades infecciosas. Además, la combinación de amoxicilina con ácido clavulánico hace que el material final obtenga una gran eficacia mediante el incremento de su actividad antimicrobiana. Por otra parte, el uso de los líquidos iónicos para la síntesis de derivados de amoxicilina proviene a que recientemente estos líquidos iónicos, también llamados la tercera generación de líquidos iónicos, han sido estudiados y desarrollados debido a su uso incrementado como ingredientes activos farmacológicos (APIs) para sintetizar líquidos iónicos con propiedades biológicas. De este modo, la combinación de la amoxicilina con la parte catiónica de seleccionados líquidos iónicos para la obtención de derivados de amoxicilina-líquidos iónicos, ha sido otro de los objetivos del presente capítulo. El propósito principal de este experimento es la obtención de un material final que combine y contenga las mejores propiedades antimicrobianas y cicatrizantes de ambos materiales cuando están en estado puro y que su combinación las mejore en la medida de lo posible.
Los cinco materiales sintetizados mediante esta técnica y con estas combinaciones, fueron debidamente caracterizados para obtener la información adecuada de su morfología y composición química y física. Además, para probar su actividad desinfectante y no toxicidad para el ser humano, los materiales se sometieron a diversos experimentos de biocompatibilidad y actividad antibacteriana usando células epiteliales humanas y las cepas de bacterias como son la E. Coli, S. Aureus y E. Faecalis. Para demostrar y obtener más información sobre los procesos de liberación de los agentes activos incorporados a los materiales, correspondientes experimentos de liberación a lo largo del tiempo fueron debidamente llevados a cabo. La recopilación de todos los datos obtenidos tras estos análisis, demostraron que los materiales eran seguros y con propiedades más que aptas para ser estudiados en animales. Finalmente, los materiales fueron probados como apósitos cicatrizantes con propiedades desinfectantes en heridas realizadas a ratones, durante un tiempo de dos semanas. Todos estos resultados se muestran a lo largo del capitulo cinco.
Finalmente, los capítulos seis y siete, muestran y explican el diseño y síntesis de novedosos materiales de fibras compuestas. Estos materiales se presentan con el principal objetivo de ser utilizados como portadores o sustratos de otras sustancias/fármacos mediante técnicas de encapsulación y que permitan la liberación controlada de los mismos a lo largo del tiempo.
A lo largo del capítulo seis, se presenta el uso de Ascobic Acid o vitamina C como material esencial para el crecimiento y mejora de tejidos del cuerpo y su necesidad para llevar a cabo ciertos procesos como son la formación de colágeno, absorción de hierro y que el sistema inmunológico tenga un correcto funcionamiento, además de ofrecer propiedades antioxidantes. La vitamina C es una molécula que además neutraliza los radicales libres dentro y fuera de las células, previniendo numerosas enfermedades como son el cáncer, los resfriados comunes y la degradación muscular relacionada con el envejecimiento de los músculos. Estas propiedades hacen a este compuesto ser un funcional, compuesto activo de uso topico en diversas formulaciones usadas en aplicaciones dermatológicas. A pesar de estas características, la vitamina C puede ser fácilmente degradada o desactivada debido a diversos parámetros externos como son la temperatura, la luz o cambios en el pH.
Debido a lo mencionado con anterioridad, numerosos estudios se han llevado a cabo para el diseño de dispositivos o mecanismos de materiales que controlen la liberación de la vitamina C. El más común de ellos es el uso de lípidos sólidos, liposomas o partículas poliméricas que permiten la liberación de esta vitamina por algunas horas, mejorando de esta forma, la penetración de la molécula a través de la piel y de forma oral en varias aplicaciones. La vitamina C, cargada en nanopartículas pueden también ser usadas como objetivo principal en la liberación de este compuesto activo con receptores de tumor. Aunque estos métodos presentan varias ventajas como son la biocompatibilidad, ellos también tienen varias limitaciones, ya que la estabilidad de los liposomas o lípidos está limitada por la matriz de las formulaciones usadas. Para superar estas limitaciones de solidos convencionales a base lípidos y liposomas, el presente capítulo propone el uso de nanofibras preparadas mediante la técnica de electrospinning y cambiándola con el método de electrospray para la encapsulación de la vitamina C y de esta forma protegiendo su desintegración contra factores externos mencionados anteriormente. Los resultados muestran que el procedimiento de encapsulación utilizado mediante la técnica de electrospray de micropartículas en nanofibras de PVA utilizadas como sustrato, es un adecuado método para la preparación de materiales que liberan vitamina C de forma controlada y que mejoran sus propiedades.
Finalmente, el capítulo siete, describe la combinación de otros materiales sólidos porosos que se sintetizan directamente en la superficie de las fibras. Muchos estudios se han encontrado para la búsqueda de materiales que tengas las propiedades adecuadas para ser utilizados como portadores o sustratos de agentes activos para ser usados en sistemas de liberación de los mismos. Estos materiales pueden ser colocados en las zonas a tratar, liberando el fármaco de forma controlada con una dosificación justa pero eficaz, a lo largo del tiempo y finalizando el tratamiento de forma correcta, con la principal finalidad de reemplazar a los fármacos convencionales. Los materiales de este tipo deben cumplir diversas propiedades tales como buena biocompatibilidad, no tóxicos, buen funcionamiento en la encapsulación y liberación controlada del principio activo y ser capaz de adherirse de forma apropiada a la matriz intracelular. De esta forma, los materiales seleccionados para la síntesis de estos materiales fueron estudiados en profundidad previamente antes del inicio de cada experimento.
Para la síntesis de estos materiales, las nanofibras, previamente electrohiladas, fueran recubiertas de MIL-100(Fe) como material MOF (Metal-Organic-Framework). Esta combinación hace que el material final adquiera propiedades mucho más adecuadas para su finalidad. El área superficial y porosidad del material final se mejora, incrementándola, así como el control en la liberación de sustancias a lo largo del tiempo. Se llevaron a cabo estudios de toxicidad y biocompatibilidad y para probar la eficacia del material como portador de diferentes sustancias, se estudió la liberación de las mismas a lo largo de una semana. Además, para comprobar que estos materiales no pierden su eficacia en el proceso de liberación, las fibras compuestas se mezclaron con dos productos comúnmente usados en tratamientos dentales y su comportamiento de liberación fue estudiado y comparado con resultados obtenidos previamente sin mezcla.
Los principales objetivos del presente trabajo de investigación fueron probar la versatilidad de un equipo que permite la síntesis de una gran variedad de materiales en forma de fibras, fibras compuestas y combinar las técnicas de electrospray y electrospinning para obtener partículas y nanopartículas en la superficie de las fibras y que permitan ser sustratos para otras sustancias o principios activos. La optimización del equipo se llevó a cabo de una forma eficaz y talentosa, obteniendo por esta parte la aprobación de una patente para dicho equipo, además de su correspondiente publicación como artículo científico. Además, el uso de Amoxicilina y sus derivados, fue usado como fármaco de referencia, para probar la capacidad de modulación en el diseño de los materiales que pueden portar cualquier sustancia, mostrando así la versatilidad de, no sólo los materiales, sino también de la técnica usada para la síntesis de los mismos, y la multifuncionalidad de sus propiedades y aplicaciones en las que pueden ser utilizados.
