Diseño de un sistema de impresión electrohidrodinámico 3D para mejorar la resolución de andamios impresos para el tejido óseo

Abstract

La osteoporosis es una patología esquelética caracterizada por la perdida de masa ósea que, dependiendo el riesgo del paciente, requiere desde tratamientos farmacéuticos hasta intervenciones quirúrgicas. Los fármacos se encargan de compensar dicha perdida ósea, mas no previenen la ocurrencia de una fractura. Ante la eventualidad de una fractura se recurre a la cirugía donde utilizando diferentes tipos de biomateriales se fabrican andamios óseos para reemplazar el tejido perdido y/o afectado. Una de las técnicas comunes de fabricación de estos andamios es la impresión por extrusión, debido a su facilidad de implementación. Sin embargo, esta técnica cuenta con importantes limitaciones, en cuanto a resolución se trata, refiriéndose así al diámetro de las fibras y porosidad. Estas características son fundamentales para imitar las propiedad de un tejido óseo sano, lo que se desea para que el proceso curativo del paciente se de de la forma deseada. Con el fin de lograr andamios que biomimeticen el ambiente celular óseo, desde hace unos años se han estudiado diferentes técnicas de impresión de andamios, una de ellas es la impresión Electrohidrodinámica(EHDA). Con este método de impresión se pretende mejorar la resolución de los andamios que se han venido realizando por extrusión. En el presente proyecto se inicio modificando el equipo de impresión EHDA, agregando un mecanismo de movimiento en los ejes XY para movilizar la base colectora y así habilitar la impresión 3D, dé tal forma que los resultados a obtener entre los dos sistemas de impresión EHDA vs Extrusión sean comparables. Se fabricaron andamios tanto por extrusión como por Electrospinning. Por medio del microscopio electrónico de barrido se obtuvieron imágenes detalladas de cada uno. Con dichas imágenes se procedió a realizar las respectivas medidas de porosidad y diámetro de fibras para cada andamio impreso, tanto por extrusión como por EHDA, utilizando el método de análisis de imagen por medio del software ``Image J" (National Institutes of Health). Al comparar los datos se obtiene que con la técnica de Electrospinning se pueden fabricar andamios a partir de nano y micro fibras, mientras que con la técnica de Extrusión las fibras se encuentran en el orden de los micrómetros y milímetros. Los poros para los andamios se encuentran en el mismo orden del tamaño de sus fibras, esto quiere decir que los andamios fabricados por Electrospinning cuentan con un tamaño de poros considerablemente menor a los fabricados por Extrusión, que a su vez indica que para la fabricación de andamios óseos la técnica EHDA es una mejor opción, puesto que es capaz de emular con mayor fidelidad el ambiente celular óseo propicio para la proliferación y supervivencia de este tipo celular. (Texto tomado de la fuente)

Osteoporosis is a skeletal pathology characterized by the loss of bone mass that, depending on the patient's risk, requires from pharmaceutical treatments to surgical interventions. The drugs are responsible for compensating for this bone loss, but they do not prevent the occurrence of a fracture. In the event of a fracture, surgery is used where, using different types of biomaterials, bone scaffolds are manufactured to replace the lost and/or affected tissue. One of the common manufacturing techniques for these scaffolds is extrusion printing, due to its ease of implementation. However, this technique has important limitations, in terms of resolution, referring to the diameter of the fibers and porosity. These characteristics are essential to imitate the properties of healthy bone tissue, which is desired so that the patient's healing process occurs as desired. In order to achieve scaffolds that biomimetic the bone cell environment, different scaffold printing techniques have been studied for a few years, one of them is Electrohydrodynamic printing (EHDA). With this printing method it is intended to improve the resolution of the scaffolds that have been made by extrusion. In this project, we began by modifying the EHDA printing equipment, adding a movement mechanism in the XY axes to mobilize the collector base and thus enable 3D printing, in such a way that the results to be obtained between the two EHDA printing systems vs. Extrusion are comparable. Scaffolds were manufactured both by extrusion and Electrospinning. Detailed images of each were obtained by means of the scanning electron microscope. With these images, the respective measurements of porosity and fiber diameter were made for each printed scaffold, both by extrusion and by EHDA, using the image analysis method using the ``Image J" software (National Institutes of Health). When comparing the data, it is obtained that with the Electrospinning technique, scaffolds can be manufactured from nano and micro fibers, while with the Extrusion technique, the fibers are in the order of micrometers and millimeters. The pore size in the scaffolds are in the same order of size of their fibers, this means that the scaffolds manufactured by Electrospinning have a considerably smaller pore size than those manufactured by Extrusion, which in turn indicates that for the manufacture of bone scaffolds the EHDA technique it is a better option, since it is able to more faithfully emulate the bone cell environment propitious to the proliferation and survival of this cell type.