Entre las innovaciones con funciones biológicas desarrolladas en el Laboratorio de Materiales Cerámicos (LMC) de la Escuela de Ingeniería de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) se encuentran materiales capaces de activar el potencial regenerativo de tejidos y órganos humanos, y dispositivos para la liberación controlada de medicamentos. Los investigadores sintetizaron varias piezas a partir del proceso químico denominado sol-gel. Y se obtuvieron objetos con diversos formatos, consistencias, texturas y tamaños, dependiendo de la utilización pretendida, creándose así una nueva generación de biomateriales, más compatibles y con mayor poder de interacción con las funciones del organismo.
La UFMG se apresta a obtener la patente nacional de una matriz para liberación controlada de fármacos desarrollada en el LMC. La pieza, presentada bajo la forma de un pequeño disco para implante subcutáneo, puede utilizarse en diversos tipos de tratamiento. En el LMC, los ensayos in vitro fueron realizados con la hormona del crecimiento, pero el mismo dispositivo podría liberar otros tipos de hormonas.
“La novedad es la aplicación del proceso sol-gel en la producción de nuevos materiales con funciones biológicas”, dice el profesor Wander Luiz Vasconcelos, jefe del LMC. El método sol-gel consiste en la reacción de precursores, o agentes químicos, en general alcóxidos (compuestos que se forman por la acción de ciertos metales sobre un determinado alcohol) que se transforman en gel a partir de reacciones de hidrólisis y condensación. Entonces se forma una estructura inorgánica, que permite la incorporación de grupos orgánicos, como las proteínas, en los “vacíos” existentes entre las estructuras o en la superficie de los materiales.
El método permite el control estructural del material, incluso a nivel nanométrico (un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro), posibilitando la ocupación de los “vacíos”, o de los poros que se forman entre las estructuras. “Trabajamos con una amplia franja de tamaño de poros, que oscilan entre los pocos nanómetros y varios micrones (un micrón equivale a la millonésima parte de un metro). De acuerdo al caso, podemos actuar en estructuras al nivel molecular; otras veces tenemos una proteína muy grande, con varias moléculas que no caben en una estructura nanométrica”, afirma Vasconcelos.
Liberación de fármacos
La nanoingeniería actúa en estructuras moleculares a escala nanométrica, pero el dispositivo final puede tener cualquier tamaño o forma. La incorporación de la substancia de interés puede ocurrir en la superficie de las partículas o en el volumen, como es llamada la parte interior, con ocupación de los poros, que funcionan como “esponjas”. En los experimentos realizados con la matriz de liberación de fármacos, la octreotida, en este caso una proteína que simula los efectos de la hormona del crecimiento, fue incorporada en la superficie del material. Para la recomposición de tejidos y órganos, el proceso de incorporación de la proteína de interés se desarrolla en los “vacíos” de las partículas.
El nuevo método para la incorporación de proteínas en matrices sol-gel, fruto de las investigaciones de la doctoranda Rúbia Lenza, dirigida por Vasconcelos, rindió dos artículos científicos publicados en revistas internacionales el año pasado y tres este año. Los agentes químicos utilizados fueron los alcóxidos de titanio y silicio, en el proceso que resultó en la producción de biomateriales para su aplicación como sustratos para la ingeniería de tejidos, y cargadores de moléculas biológicamente activas, mediante la aplicación del método de formación de espumas en polímeros (compuestos formados por largas cadenas de moléculas capaces de unirse a otras moléculas de la misma especie), con porosidad controlada, en soluciones sol-gel. La laminina, una proteína común, fue usada para rellenar los “vacíos” de la espuma en las pruebas básicas para la recomposición de tejidos.
Los materiales con propiedades orgánicas superficiales y tamaños de poros proyectados son particularmente importantes en aplicaciones en las que el reconocimiento molecular es necesario, como en el proceso de adsorción (fijación de moléculas de una sustancia en la superficie de otra substancia) y en la liberación controlada de fármacos. Los resultados presentados en las investigaciones del LMC sugieren que los materiales obtenidos tienen un gran potencial de uso en su calidad de soportes para la ingeniería de tejidos, y como cargadores de moléculas bioespecíficas. Por lo que todo indica, las espumas bioactivas modificadas con proteínas representan una nueva generación de materiales que podrán utilizarse en la regeneración de tejidos óseos y musculares.
Mil utilidades
El proceso químico sol-gel es conocido hace más de cien años, pero su aplicación es relativamente reciente. Comenzó a ser utilizado en la década de 1980, en algunos sectores industriales. Su aplicación en nuevos materiales es tan versátil que resulta, entre otros usos, en la producción de un vidrio capaz de bloquear la luz y el calor, en films adherentes para la protección de las más diversas superficies, y en una membrana con poder de filtrado tan grande que puede transformar el agua salobra en potable. En el área médica, la investigación con aplicación del sol-gel se intensificó hace menos de diez años, y rápidamente suscitó el interés de investigadores de varios países, pero a pesar de todos los avances, todavía hay mucho por hacerse.
La producción de materiales cerámicos vía sol-gel presenta ventajas en comparación con las formas convencionales usadas en la producción de vidrios y polímeros, que requieren hornos potentes, con altas temperaturas y gran gasto de energía. Las primeras etapas del proceso sol-gel se realizan a temperatura ambiente. De acuerdo con su utilización, se necesita un calentamiento, pero éste es siempre mucho más leve que en los procesos convencionales. Para tener una idea: la obtención de sílice puro mediante la fusión de cuarzo por la vía tradicional requiere un horno a una temperatura superior a los 2.000ºC. Por la vía sol-gel, la temperatura se ubica por debajo de los 1.100ºC.
Un largo camino
La versatilidad, el control estructural, la economía de energía y los residuos que no provocan daños ambientales pueden suscitar el interés de las industrias farmacéuticas. Con relación a los costos finales de los biomateriales vía sol-gel, al menos por ahora, no hay números definitivos, porque el proceso aún se encuentra a escala de laboratorio.El sol-gel es un típico caso de desarrollo conjunto de la ciencia y de la tecnología. “Aún existen muchas incógnitas, pero el gran desafío reside en el desarrollo de tecnologías basadas en este proceso”, afirma Vasconcelos. Para él, las aplicaciones del sol-gel son tan vastas que se hace difícil hacer un pronóstico. “No sabemos adónde llegaremos. Es un tema efervescente a nivel mundial”, dice el investigador.
El investigador de la UFMG fue un de los primeros en trabajar con sol-gel en el desarrollo de nuevos materiales en Brasil. En 1992, Wander creó el LMC, en el Departamento de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales de la Escuela de Ingeniería de la UFMG. Actualmente, el profesor dirige a 16 alumnos en el LMC. La mayoría de éstos trabaja en la síntesis de materiales nanoestructurados vía sol-gel, siempre bajo la perspectiva de avanzar en el conocimiento científico y tecnológicos de esos nuevos materiales, que podrán en breve ser comunes en hospitales e industrias.
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