Nanotecnologías ecocompatibles para aplicaciones en biomateriales de titanio

Abstract

El aumento de la tolerancia y el desarrollo de resistencia a los antibióticos por parte de las bacterias ha producido un incremento general de las infecciones intrahospitalarias, entre las que se destacan, por su frecuencia, las infecciones asociadas a materiales implantables. Para combatir bacterias multirresistentes se han propuesto alternativas innovadoras a tratamientos tradicionales, como la utilización de productos nanotecnológicos, ya sean nanopelículas (NPe) o nanoparticulas (NPa) metálicas con actividad antimicrobiana. Sin embargo, las síntesis tradicionalmente empleadas para fabricar estos nanoproductos utilizan o producen reactivos y solventes tóxicos para la salud y contaminantes del medio ambiente. Surgen así, como nueva alternativa, las nanotecnologías ecocompatibles (NEC) o “verdes” que utilizan agentes naturales, ampliamente disponibles en la naturaleza y en los desechos de la industria agrícola, para sintetizar NPe y NPa metálicas sin producir o utilizar agentes tóxicos ni contaminantes. Dentro de las NEC, las más utilizadas son aquellas que emplean fitocompuestos fenólicos, ya que los mismos presentan comprobada actividad antimicrobiana, antioxidante, anticancerígena y antiviral, entre otras. Además, dichos compuestos fenólicos son componentes principales de muchos aceites y extractos naturales, como por ejemplo los obtenidos de tomillo, romero, eucalipto, etc. La utilidad de estos fitocompuestos fenólicos se debe a que su estructura química les confiere buenas propiedades reductoras que permiten sintetizar NPa de Ag, Au o Cu sin la necesidad de utilizar reactivos tóxicos y contaminantes. Además, la estructura fenólica de estos compuestos también les otorga la capacidad de adsorberse o polimerizar sobre superficies metálicas (Ti, Cu, Mg, otros) formando NPe que se anclan a la superficie por procesos de adsorción/autoensamblado espontáneo, por coordinación con iones metálicos o por técnicas electroquímicas. En el presente Trabajo de Tesis se plantea la hipótesis de que es posible desarrollar productos nanotecnológicos antimicrobianos y citocompatibles para ser utilizados en biomateriales de Ti, empleando fitocompuestos puros y extractos naturales, reduciendo o eliminando el empleo de reactivos tóxicos y contaminantes. Con este fin, se evaluó la capacidad de fitocompuestos fenólicos isoméricos como el timol y carvacrol (constituyentes principales de aceites esenciales de tomillo y orégano) para desarrollar NPe sobre discos de Ti para uso quirúrgico (grado II) y se analizó tanto su actividad antimicrobiana como su citocompatibilidad y actividad osteogénica. También se emplearon ácido gálico y pirogalol para fabricar NPe de tipo de redes híbridas metal-fenólicas (MPN) en coordinación con iones Mg2+ sobre la superficie de Ti. Asimismo, se utilizaron el ácido gálico y un extracto natural de té verde como agentes reductores para sintetizar NPa de Ag (NPaAg) y se comprobó la actividad antimicrobiana. Finalmente, se desarrollaron superficies multifuncionales de Ti a partir de la combinación de NPe + NPaAg para evaluar efectos antimicrobianos sinérgicos y su citocompatibilidad y actividad osteogénica. Los resultados obtenidos permiten concluir que es posible fabricar NPe de fitocompuestos fenólicos sobre superficies de Ti a través de diferentes técnicas empleando tecnologías NEC. Las NPe de timol y carvacrol confieren actividad bactericida a la superficie de Ti contra cepas de Staphylococcus aureus y en el caso de las NPe de timol, también aumentan la citocompatibilidad y mejoran el proceso de oseointegración del Ti en estudios in vitro. Las NPe formadas sobre Ti constituidas por MPN de ácido gálico y pirogalol con iones de Mg2+ otorgan a dicho material propiedades antiadherentes y antibiofilm que impiden la producción de la matriz polimérica y el desarrollo de biofilms de S. aureus. Asimismo, estas MPN presentan acción antimicrobiana sinérgica con antibióticos como la amikacina frente a biofilms tempranos de S. aureus desarrollados sobre Ti. Por otra parte, las MPN de ácido gálico y pirogalol formadas sobre Ti incrementan considerablemente la citocompatibilidad y la actividad osteogénica de dicho biomaterial. Por otra parte, se logró obtener NPaAg de tamaño nanométrico y estables con gran poder antimicrobiano contra S. aureus, Pseudomonas aeruginosa y Klebsiella pneumoniae y buena citocompatibilidad utilizando ácido gálico y extracto natural de té verde como agentes reductores. Además, estas NPa inhibieron la formación de biofilms de S. aureus cuando fueron inmovilizadas sobre las MPN de pirogalol previamente desarrolladas sobre la superficie de Ti. Finalmente, se pudo concluir que todos los nanoproductos obtenidos en el presente trabajo por nanotecnologías NEC (NPe, MPN, NPaAg y sistemas mixtos de MPN+NPaAg) pueden ser obtenidos con procedimientos sencillos y no requieren equipamientos de laboratorio complejos para su síntesis, son además reproducibles, económicos y escalables para ser utilizados sobre superficies de Ti para uso médico o en otras aplicaciones industriales, logrando, en algunos casos, la erradicación de los microorganismos evaluados. Asimismo, entre los sistemas desarrollados se comprobó una adecuada citocompatibilidad con células fibroblásticas y pre-osteoblásticas y, en algunos casos el incremento de la actividad osteogénica, cualidad muy apreciada en el caso de biomateriales ortopédicos y dentales.