Grafeno para ingeniería regenerativa
Resumen
Desde su descubrimiento en 2004, el grafeno y la familia de materiales del grafeno (GFM, por sus siglas en inglés) han seguido generando interés en todo el mundo debido a sus propiedades excepcionales. Habiéndose expandido a aplicaciones biomédicas, ha habido un número creciente de publicaciones recientes relacionadas con biomateriales basados en grafeno para la regeneración de tejidos y órganos. En este artículo, brindamos una breve perspectiva sobre el estado actual y las tendencias recientes de la investigación del grafeno en ingeniería regenerativa y brindamos perspectivas futuras sobre los desarrollos en este campo.
1. INTRODUCCIÓN
La ingeniería regenerativa se ha definido como la convergencia de las ciencias de los materiales avanzados, las ciencias de las células madre, la física, la biología del desarrollo y la traducción clínica para la regeneración de tejidos complejos y sistemas de órganos. 1 – 4 La base de la ingeniería regenerativa radica en combinar los avances realizados en cada uno de estos campos dispares para crear una caja de herramientas para que los científicos e investigadores la utilicen para regenerar tejidos y órganos complejos. Dentro de estos diversos campos, los avances en la ciencia e ingeniería de materiales, y especialmente la expansión de la nanotecnología, han sido activos invaluables para desarrollar biomateriales innovadores para diseñar tejidos y órganos.
Habiendo sido galardonado con el Premio Nobel de Física en 2010, solo 6 años después de su descubrimiento, el grafeno y sus derivados, conocidos como la familia de materiales del grafeno (GFM), han fascinado cada vez más a los científicos de todo el mundo. El grafeno es una capa atómica única de átomos de carbono que están estrechamente empaquetados en una estructura de panal bidimensional. 5 La estructura única del grafeno da lugar a propiedades impresionantes, muchas de las cuales superan las obtenidas en cualquier otro material, y algunas alcanzan los límites predichos teóricamente. 6 Estos incluyen un área de superficie específica alta de 2630 m 2 /g, 7 extraordinarias movilidades de electrones de 250 000 cm 2 /Vs, 8 conductividades térmicas de 5000 W/mk, 9flexibilidad y una notable fuerza intrínseca de 130 GPa, que según se informa es 200 veces mayor que el acero. 10
Las propiedades versátiles y multifuncionales de los GFM los han hecho atractivos para una gran cantidad de aplicaciones que incluyen electrónica, fotónica, compuestos, generación y almacenamiento de energía, sensores y metrología, y aplicaciones biomédicas. 6
Actualmente, la forma más utilizada de GFM en aplicaciones biomédicas es el óxido de grafeno (GO), que es la forma oxidada del grafeno. La oxidación introduce grupos funcionales de oxígeno en la estructura, lo que proporciona hidrofilicidad, procesabilidad en solventes y manejo químico para la manipulación. 11 , 12 En aplicaciones biomédicas, GO y los otros miembros de los GFM se han utilizado como plataformas para la administración de fármacos y genes, terapia fototérmica y fotodinámica, bioimagen, biodetección y biomateriales para la reparación y regeneración de tejidos. 13
Las extraordinarias propiedades de los GFM han llevado a los investigadores a utilizarlos en la fabricación o modificación de biomateriales para varios tejidos y órganos. Los GFM se han utilizado como componente estructural principal en biomateriales o como dopantes, recubrimientos o vehículos de administración de fármacos para producir estructuras para la ingeniería de tejidos óseo, cartilaginoso, muscular, cardíaco, neural, cutáneo y adiposo (Figura 1 ). Curiosamente, también se han realizado esfuerzos hacia la ingeniería de células madre utilizando materiales basados en grafeno.
La utilización de GFM en biomateriales no solo puede conducir a mejoras físicas en las construcciones, sino que también puede mejorar su rendimiento desde un punto de vista biológico. Sin duda, la adición de GFM puede reforzar mecánicamente los andamios al aumentar su resistencia, rigidez y dureza; características que son importantes para desarrollar estructuras mecánicamente competentes, particularmente para entornos de carga en el cuerpo, como los huesos. Debido a su alta conductividad eléctrica, los biomateriales electroconductores se pueden fabricar para estimular el crecimiento y la actividad de las células eléctricamente excitables, como las del músculo o los linajes neurales. Es de destacar que los estudios han demostrado que la adición de GFM puede producir sustratos que respaldan la actividad de las células madre mediante la mejora de la adhesión, la propagación, la morfología y el crecimiento celular. Esto posiblemente se deba a la alta afinidad de los GFM para unirse a las moléculas y proteínas en el entorno circundante y crear plataformas concentradas para que las células se adhieran y estén continuamente expuestas a las señales. Además, la gran área de superficie y la estructura de los GFM permiten la creación de plataformas para cargar y administrar factores de crecimiento o moléculas terapéuticas que pueden promover distintas actividades biológicas o procesos de regeneración de tejidos. Como recubrimientos, los GFM pueden mejorar la durabilidad de los implantes y modular las características de la superficie, como la rugosidad, la humectabilidad y la adsorción de proteínas y células. Por último, una de las propiedades prometedoras de los GFM ha sido su efecto biocida, que puede tener implicaciones importantes en el desarrollo de biomateriales para prevenir infecciones bacterianas como las que se utilizan en la cicatrización de heridas o la reparación de la piel.
A pesar del considerable progreso en el desarrollo y uso de biomateriales a base de grafeno para la regeneración de tejidos, aún existen dudas sobre su seguridad y degradación. Las interacciones de los GFM con los sistemas biológicos y su seguridad, biodistribución y biopersistencia a largo plazo en el cuerpo son áreas que requieren una mayor comprensión. Como tal, hay evidencia que sugiere que las células inmunitarias pueden mediar en la biodegradación de GO y que GO puede sufrir biodegradación a través de mecanismos de degradación tanto hidrolíticos como enzimáticos. 12 Se cree que la biocompatibilidad de los GFM se rige por las propiedades fisicoquímicas del GFM en uso (forma, tamaño, superficie), las condiciones de exposición (medio, dosis, duración) y el sistema biológico de estudio (Figura 2 ).14 Aunque estos factores han sido identificados, su influencia y papel preciso aún no se han reconocido plenamente. Esto se debe en parte a las variaciones en las configuraciones experimentales y los métodos de prueba y las diferencias en las variantes de GFM utilizadas que han dado lugar a algunas inconsistencias y resultados contradictorios. No obstante, el creciente número de publicaciones y estudios en este campo impulsará nuestra comprensión sobre el papel de estos, o cualquier otro, factores influyentes.
En conclusión, los GFM son una clase de nanomateriales inmensamente prometedora para aplicaciones de ingeniería regenerativa. A través de diversas estrategias, sus características han sido empleadas para producir o modificar biomateriales para la regeneración de tejidos. Se ha demostrado que el uso de GFM en varios biomateriales mejora su rendimiento fisicoquímico, mecánico, eléctrico y biológico. Junto con los avances realizados en el desarrollo de biomateriales, los mecanismos celulares y moleculares por los cuales los GFM imparten sus efectos biológicos requieren una comprensión profunda. Se deben proporcionar pautas para que los investigadores describan diligentemente su material y el derivado de grafeno que están utilizando, y evalúen rigurosamente la biocompatibilidad y la biodegradabilidad de sus biomateriales compuestos basados en grafeno recientemente desarrollados. Como se ha señalado, las propiedades fisicoquímicas de los GFM afectan su perfil de seguridad y, por lo tanto, es imperativo que los investigadores describan en detalle las características de la variante GFM en uso y su proceso de fabricación. Se debe utilizar una nomenclatura estandarizada para referirse a los diferentes miembros de los GFM para evitar confusiones. El método de prueba y los ensayos utilizados deben elegirse con precaución y verificarse con otro método para evitar artefactos o interferencias que puedan oscurecer los resultados. Por último, la seguridad a largo plazo y el destino de estos nanomateriales en el cuerpo requieren atención e investigación adicional. Las extraordinarias propiedades de los GFM han generado un gran interés para las aplicaciones biomédicas. Es fundamental ampliar la colaboración cruzada y la convergencia entre ingenieros, en particular ingenieros biomédicos, y químicos, biólogos,
