Compuesto no tejido bioelastómero. Campo técnico de la invención

La presente invención está relacionada con el campo de los materiales y productos para biomedicina. La invención describe un tejido flexible y bioabsorbible que puede ser utilizado como prótesis implantable en la estabilización de fracturas de hueso, en la reparación de hernias y deficiencias en tejido blando y dermal, así como en stents expandibles.

La presente invención describe un tejido elastómero anisótropo formado una matriz elastómera basada en un poliéster entrecruzado de la familia de los poli (poliol sebacato)-PPS, que incorpora como refuerzo nanofibras biodegradables obtenidas por electrohilado, estando las nanofibras embebidas al menos en la cara exterior de la matriz elastomérica.

El compuesto descrito presenta unas propiedades mecánicas mejoradas, y una biodegradación más lenta, ambas características de gran interés en nuevas aplicaciones en ingeniería de tejidos.

Antecedentes de la invención

En los últimos años se han desarrollado numerosas aplicaciones en el campo de la bioingeniería basadas en el uso polímeros biodegradables. Dado que estos compuestos deben implantarse en el cuerpo humano, que es un medio mecánicamente dinámico, los implantes deben mantener y recuperar las deformaciones prefijadas sin generar un deterioro mecánico en el tejido circundante.

Muchas estructuras naturales utilizadas en el tratamiento de hernias están formadas por colágeno, sin embargo las mallas de colágeno son mecánicamente débiles por lo que resulta difícil proteger de manera eficiente la zona de tejido afectado. Además, la cinética de degradación del colágeno resulta demasiado rápida y las propiedades mecánicas de la malla pueden deteriorarse ante de que se haya alcanzado la regeneración de la zona afectada. i Los poli (poliol sebacatos) representan una familia de elastómeros de poliéster entrecruzados biocompatibles y biodegradables desarrollados para la ingeniería de tejidos.

Los polioles utilizados han sido glicerina, manitol, xilitol, sorbitol. Dependiendo del poliol seleccionado se obtiene un amplio espectro de propiedades mecánicas: desde hidrogeles a elastómeros tenaces.

Los poli (poliol sebacatos) pertenecen al grupo de los polímeros con memoria de forma. Estos productos tienen la característica de memorizar una forma permanente y pueden ser manipulados hasta fijar una forma temporal mediante la aplicación de una deformación y más tarde recuperar su forma original mediante la aplicación de un estímulo, tal como temperatura, luz, campo eléctrico, campo magnético o pH. Además la temperatura de activación debe ser ligeramente mayor a la temperatura corporal, dentro del rango de 39°C-45°C.

Por otra parte, el electrohilado o electrospinning es un método simple y efectivo para la generación de fibras no tejidas ultrafinas, con un diámetro de 50- 500 nm. El proceso de electrohilado se basa en la aplicación de un campo electrostático entre dos polos opuestos, correspondientes a un capilar o sistema de inyección de una solución de un polímero de un disolvente orgánico y una placa metálica conectada a tierra que actúa de colector. El tamaño y la morfología de las nanofibras obtenidas dependen de parámetros tales como viscosidad de la solución, potencial eléctrico, flujo de la solución y distancia entre el capilar y el colector. La obtención de nanofibras poliméricas mediante electrohilado se ha logrado con una gran variedad de polímeros tales como el ácido poliláctico (PLA), policaprolactona (PCL), ácido poliglicólico, polihidroxialcanoatos, chitosan, gelatina, acetato de celulosa o acetato de polivinilo. Estas nanofibras han sido empleadas en la regeneración y reparación de tejidos, productos sanitarios y liberación controlada de fármacos.

Sin embargo, la configuración de las nanofibras condiciona las propiedades mecánicas de los compuestos. De esta manera, las nanofibras pueden conformar una estructura isotrópica, anisótropa, en capas, en sándwich, estructuras continuas, estructuras discontinuas, embebidas, con cargas biodegradables, con cargas no biodegradables, una estructura tejida o no tejida, etc. En el artículo reportado "Tri-layered elastomeric scaffolds for engineering heart valve leaflets". Masoumo Nafiseh, Biomaterials 35 (2014) se describe una estructura en capas tipo sándwich compuesta por fibras de policaprolactona y poli(glicerol-sebacato)-PCL/PGS obtenidas por electrospinning, y que son depositadas sobre una estructura sólida de PGS.

En la patente US 20100331980 A1 "Aligned scaffolding system for skeletal muscle regeneration" se describe la obtención de nanofibras de PCL/colágeno altamente orientadas mediante la técnica de electrospinning empleando una colector giratorio capaz de girar a velocidades elevadas. El estado de la técnica muestra diferentes composiciones a base de poli (poliol sebacatos) y aplicaciones biomédicas de los mismos.

Ranjana et al., Progress in polymer science Vol 37, 8 (2012) y los documentos citados describen la utilización y manipulación de poli (glicerol sebacato) PGS- en diferentes aplicaciones biomédicas. Punyavee Kerativitayanan and Akhilesh K Gaharwar (2014) describen la utilización de PGS en la fabricación de una estructura discontinua en la que se embeben nano partículas no biodegradables de silicatos y posteriormente se realiza un proceso de curado a 130°C.

Martin Frydrych and Biqiong Chen. J Mater B, 1 , 6650 (2013) describen la fabricación de una matriz porosa de PGS y PLLA, que mejora la estabilidad de la estructura. Este documento detalla que la pérdida de peso en los ensayos de degradación realizados es del 40% en presencia de lipasa y del 9% en ausencia de lipasa a los 31 días.

Akhilesh K. , Gaharwar et al. Biomater. Sci., 3, 46-58 (2015) describen la obtención de estructuras de PGS-nanotubos de carbono y por tanto generan una estructura discontinua y con nanotubos de carbono no biodegradable.

WO2014100718 describe la obtención de una estructura completamente porosa para su aplicación en andamios basada en la deposición de un recubrimiento de fibras de PGS y PGLA electrohiladas sobre un soporte de PGS. El documento más cercano a la invención, Tri-layered elastomeric scaffolds for engineering heart valve leaflets. Masoumo Nafiseh, Biomaterials 35 (2014) describe la utilización de poli (glicerol sebacato)-PGS- en la fabricación de estructuras en tres capas, tipo sándwich, que se asemejan a válvulas cardíacas. Se parte de una estructura de PGS que se obtiene por un proceso de moldeado y curado a 160°C y sobre esta estructura se depositan mediante electrohilado microfibras de poliprolactona (PCL) y PGS.

Sin embargo, el rango de propiedades mecánicas (resistencia mecánica -UTS- y módulo elástico -E-) es bastante limitado.

Los poli (poliol sebacatos) descritos en el estado de la técnica son bioelastómeros con elevada flexibilidad, aunque sus propiedades resistentes son mediocres. En particular presentan un módulo elástico (E) cercano a 280 KPa y una resistencia mecánica UTS< 4 MPa. Este hecho restringe el uso de estos productos a ciertas aplicaciones de ingeniería de tejidos blandos, dado que la mayoría de los tejidos vivos presentan propiedades mecánicas algo mayores:

Tejido Módulo elástico E Resistencia mecánica

UTS

Piel 0.7- 16 MPa 0.3 MPa

Cartílago 4.5-24 MPa 4.5-24 MPa

Válvulas corazón 15-21 MPa

Tendones 250 MPa-1 .5GPa 54 MPa

Objeto de la invención

El problema resuelto por la invención es encontrar un tejido sintético biodegradable con resistencia mecánica y rigidez mecánica, a la vez que capacidad de alargamiento ajustables a distintos tipos de tejidos vivos tanto blandos como tenaces. En particular, se pretende conseguir un material con un elevado módulo elástico, elevado alargamiento a la rotura y elevada tenacidad.

En particular, el problema resuelto por la invención es encontrar un material con un módulo de elasticidad de al menos 140-380 MPa, una tenacidad de al menos 156-427 MJ/m, un alargamiento a la rotura de al menos 32- 37%, una resistencia al menos 7,3-14 MPa y/o una temperatura de activación entre 40°-44°C.

La solución encontrada por los inventores es un compuesto no tejido elastomérico anisotrópico formado por la combinación de una matriz elastómera basada en un biopoliéster perteneciente a la familia de los poli (poliol sebacato) y de mallas (soportes) de nanofibras biodegradables obtenidas por electrohilado, en donde las nanofibras están embebidas total o parcialmente en la matriz elastomérica. El tejido descrito no es tipo sándwich.

La incorporación de las nanofibras embebidas permite obtener un material anisótropo con una alta resistencia y flexibilidad.

Otro problema resuelto por la invención, es retardar la velocidad de degradación de los poli (poliol sebacatos)-PPS. La incorporación de mallas de nanofibras embebidas en la matriz de poli (poliol sebacatos), parcialmente o completamente, permite retardar la degradación al menos 240 días sin que las características mecánicas del material se vean comprometidas.

Finalmente, embeber parcialmente o completamente las nanofibras permite adaptar las propiedades del compuesto a la aplicación final. De esta forma, cuando las nanofibras quedan expuestas superficialmente en una de las caras del compuesto, la porosidad que dejan entre las nanofibras contribuye a mejorar la regeneración celular en la zona del tejido dañada, y por ello estos compuestos descritos son adecuados para la reparación de hernias y tejido blando. Cuando las fibras están embebidas completamente, los compuestos son adecuados para la fabricación de endoprótesis y estabilización de fracturas.

Los compuestos descritos son adecuados para la fabricación de endoprótesis, vendajes o para la liberación controlada de fármacos.

Descripción de la figuras

La figura 1 muestra mallas de nanofibras parcialmente embebidas en la matriz elastomérica en donde las nanofibras quedan expuestas en la superficie de una de las caras. La figura 2 muestra nanofibras completamente embebidas en la matriz elastomérica.

La figura 3 muestra una fractura estabilizada con una cinta basada en el composite objeto de la invención. La figuras 4A y 4B muestran la reparación endovascular de un aneurisma.

La figura 5 muestra una fotografía del compuesto biodegradable en forma tubular expandida.

La figura 6 muestra una microfotografía de los compuestos biodegradables.

La figura 7 muestra las curvas tensión-deformación obtenidas para los componentes puros de poli(manitol-sebacato)-PMS- y nanofibras de PLA y composites de PMS/PLA reforzados con diferentes concentraciones de mallas de nanofibras de PLA.

La figura 8 muestra la velocidad de biodegradación para poli (manitol sebacato)PMS puro y para nanofibras de PLA y composites de PMS/PLA reforzados con diferentes concentraciones de nanofibras de PLA.

Descripción detallada de la invención

La invención comprende un compuesto funcional formado por mallas no tejidas de nanofibras biodegradables infiltradas, parcialmente o completamente, en una matriz bioelastomérica de un poli (poliol sebacato), según se muestra en las figuras 1 y 2.

Los espesores de las mallas de nanofibras descritas en la invención están comprendidos entre 50-100 mieras.

La figura 1 muestra que las fibras embebidas parcialmente quedan expuestas al exterior produciendo una superficie porosa, lo que permite interaccionar con el tejido vivo. De esta manera, cuando las nanofibras están embebidas parcialmente son de utilidad en la reparación de hernias y tejidos blandos. La cara exterior donde se encuentran las nanofibras se sitúa en contacto con la zona del tejido o pared abdominal para favorecer, a través de los poros, la infiltración y regeneración del tejido fibroso. Por otra parte, la cara opuesta no porosa del compuesto se sitúa en la zona intraperitoneal, en contacto con las visceras, evitando la generación de adhesiones intestinales.

La figura 2 muestra nanofibras completamente embebidas en la matriz bioelastomérica, cuyas propiedades son adecuadas para la estabilización de fracturas y endoprótesis o stents.

Los polioles utilizados son glicerina, xilitol, sorbitol y, en un modo preferente, manitol.

Las nanofibras están fabricadas de un material seleccionado entre polímeros biodegradables consistente en: colágeno, policaprolactona, ácido poliglicólico, polihidroxialcanoatos, chitosan, gelatina, acetato de celulosa o acetato de polivinilo.

En un modo preferente las nanofibras están fabricadas con ácido poliláctico (PLA) mediante electrospinning o electrohilado. Los espesores de las mallas de nanofibras están comprendidos entre 50- 100 mieras. El contenido de nanofibras, en un modo preferente, está comprendido entre 10%-15%(peso/peso).

La inclusión de nanofibras embebidas en el elastómero mejora el comportamiento mecánico del compuesto, frente a la combinación de dichos materiales en estructuras tipo sándwich, debido a una mayor eficiencia en la transferencia de carga a través de las nanofibras poliméricas de refuerzo. A modo de ejemplo, la siguiente tabla ilustra cómo varían las propiedades mecánicas para el bioelástomero puro sintetizado con distinta proporción entre monómeros (manitol: ácido sebácico), en concreto (1 :1 )(1 :2). Se puede observar, como a medida que se incrementa el contenido del monómero del ácido sebácico, la resistencia mecánica y rigidez en el bioelastomero aumentan.

Muestra Módulo Resistencia Alargamiento Tenacidad

Elasticidad Máxima a la rotura (MJ/m ³ )

(MPa) (MPa) (%) 1 :1 PMS 7.2+3.3 4.5+0.6 35.8+7.0 81 .8+6.3

1 :2 PMS 69.8+0.3 13.3+1.6 55.1 +4.9 482.0+13.3

Los valores de resistencia de las estructuras tipo sándwich no superan los 0.5 MPa, mientras que estructuras que incorporan mallas no tejidas de nanofibras como refuerzo la resistencia alcanza los 14 MPa. Además, el incremento de resistencia mecánica o rigidez no lleva asociado una caída brusca del alargamiento o deformación, lo que se pudiera traducir en un material más frágil, sino que el comportamiento de la estructura embebida con nanofibras mantiene una elevada flexibilidad.

Los resultados obtenidos con una matriz de poli (manitol sebacato) PMS y con diferentes cantidades de nanofibras (NF) de ácido poliláctico -PLA-fueron:

Muestra Módulo Resistencia Alargamiento Tenacidad

elasticidad a la rotura

(MPa) (MPa) (%) MJ/rrr

PMS(1 :1 ) 7.2 4.5 35.8 81 .8

NF-PLA 125 3.7 48.5 196.4

PMS 4% 30.8 4.1 45.7 105.4

NF-PLA

PMS 10% 142.7 7.3 32.2 156.8

NF-PLA

PMS15% 380.3 14.0 37.0 427.0

NF-PLA

A medida que incrementa el contenido de nanofibras se logra un aumento de la tenacidad. De este modo, se consigue que el material resista los esfuerzos requeridos, a la vez que mantiene su capacidad de deformación plástica sin la aparición de fisuras o grietas que rompan el material de manera frágil.

Se observa que la matriz de PMS presenta un alargamiento del 35% mientras que la matriz embebida con nanofibras mantiene casi el mismo valor (37%) pero además la rigidez (módulo elástico) puede incrementarse de forma notable a medida que se incrementa el contenido de nanofibras, ajustándose a la respuesta elástica de diferentes tejidos vivos tenaces.

Las nanofibras conforman una estructura continua que imita el comportamiento de los tejidos humanos con características anisotrópicas.

Las matrices bioelastoméricas de poli (poliol sebacato) degradan a gran velocidad decreciendo sus propiedades mecánicas bruscamente, por tanto no son adecuados para reparar fracturas o hernias que requieran un elevado tiempo de recuperación. La inclusión de nanofibras poliméricas biodegradables en las matrices de poli (poliol sebacato) permite mantener y ajustar la rigidez del material, expresada mediante el módulo de elasticidad, durante periodos largos, por encima incluso de 150 días.

La velocidad de degradación para el poli (manitol sebacato) -PMS- puro alcanza una pérdida de masa del 50% a los 210 días. Con la incorporación del refuerzo de nanofibras de ácido poliláctico -PLA- se consigue reducir el proceso de degradación en el composite, siendo a modo de ejemplo, el valor inferior al 20% de pérdida de masa después de 240 días de exposición para una muestra con un 10% de nanofibras de PLA ( 2 mallas) , tal y como se muestra en la figura 8. Las nanofibras además de modificar las propiedades mecánicas de la matriz, permiten controlar la porosidad. Los compuestos descritos en la invención se pueden utilizar en la regeneración dérmica como vendajes funcionales. La incorporación de nanofibras (parcialmente embebidas) con control sobre la porosidad permite además la liberación controlada de fármacos y facilita la regeneración del tejido dañado, mientras que la naturaleza elastomérica de los poli (poliol sebacato) permite la fijación y contacto sobre el área dañada. Los compuestos descritos pueden conformarse en forma de cintas o bandas entre 3-10 cm con un espesor entre 0.5 -1 .5 mm para ser utilizados en la estabilización de fracturas, como se ilustra en la figura 3.

Debido a su flexibilidad, la cinta se introduce en el cuerpo a través de una pequeña incisión y se enrolla alrededor de la zona del hueso fracturada sin dañarlo. La naturaleza del composite permite alcanzar valores de resistencia mecánica superiores a 15-20 MPa sin que el material sufra rotura y manteniendo una elevada flexibilidad para garantizar el enrollamiento sobre la zona fracturada.

Los compuestos descritos en la invención son de utilidad para la fabricación de stents o endoprótesis, empleados en la reparación endovascular de un aneurisma, debido a sus propiedades de memoria de forma activada térmicamente. De este modo, se consigue adquirir una forma temporal compacta que facilita una cirugía poco invasiva en el cuerpo humano, y posteriormente, una temperatura de activación ligeramente superior a la temperatura corporal promueve el cambio a la forma definitiva, incrementándose la tensión sobre la zona afectada y favoreciendo el aumento de la sección útil. Como se muestra en la figura 4, el aneurisma se puede tratar mediante la inclusión de los compuestos descritos en su forma final expandida, alcanzada al superar la temperatura de activación del cambio, y que en este caso corresponde a valores ligeramente superiores a la temperatura corporal, y debido a la mayor resistencia mecánica impuesta por las nanofibras se generan tensiones que permiten ampliar la zona obstruida. La figura 5 muestra una fotografía del compuesto biodegradable en forma tubular expandida adecuado para la reparación de aneurismas.

Mediante la selección de los poli (poliol sebacato) y el porcentaje de nanofibras se obtienen temperaturas de activación ligeramente por encima de la temperatura corporal 40-45°C.

Material T ^a (°C)

PMS 30° C

PMS /5% nanofibras PLA 36° C PMS/ 10% nanofibras PLA 40° C

PMS/ 15% nanofibras PLA 44° C

Asimismo, la presencia de nanofibras permite mejorar el ratio de fijación de la forma temporal (Rf) y el ratio de recuperación de la forma permanente (Rr) a temperaturas de interés biomédico. La incorporación de un pequeño porcentaje de nanofibras biodegradables embebidas en la matriz elastomérica permite incrementar las propiedades resistentes, y se logra alcanzar una tasa de recuperación de la forma permanente por encima del 95% cuando se aplica el estímulo de cambio.

La fabricación de las matrices bioelastoméricas con nanofibras total o parcialmente embebidas comprende:

La obtención de nanofibras a partir de un biopolímero,

La impregnación de las nanofibras con un pre-polímero parcialmente curado de un poli (poliol sebacato) mediante vacío,

Conformado bajo presión y curado final del sistema mediante tratamiento térmico o radiación UV.

La impregnación de las nanofibras con el pre-polímero se realiza a través de un proceso de proyección según se detalla en US8003205.

En un modo preferente, el ácido poliláctico (PLA) se disuelve en un disolvente orgánico, preferente dimetilformamida (DMF) a 80°C en una concentración entre 5-30% (peso/peso) y en modo preferente entre 10-21 % (peso/peso). Las nanofibras se fabrican mediante electrospinning o electrohilado aplicando un flujo de 0.8 mL/h, con una distancia entre capilar y colector de 17 cm y un voltaje de 18KV. Los espesores típicos de las mallas obtenidas oscilaron entre 50- 100 mieras. La figura 6A muestra una microfotog rafia de la malla de nanofibras obtenidas con diámetros de 150-280 nm.

Las nanofibras se impregnan con pre-polímero parcialmente curado de poli (manitol sebacato) mediante proyección y vacío. El proceso de curado es completado mediante tratamiento térmico a 150°C durante 2 días y conformado final bajo presión durante 10 minutos.

El contenido de nanofibras varía entre el 4% y 35% (peso/peso) respecto al contenido de poli(poliol sebacato). En un modo preferente, los composites comprenden poli(manitol sebacato) y el contenido en nanofibras de ácido poliláctico es de al menos el 10% (peso/peso) y, más preferentemente, del 15% (peso/peso).

En un modo más preferente, el proceso de entrecruzamiento se realiza mediante el curado con radiación UV, a través de la incorporación de grupos funcionales, como por ejemplo acrilato, en la estructura polimérica durante la síntesis del pre-polímero de PMS.

De este modo, el bioelastómero parcialmente curado puede ser introducido en el interior del cuerpo humano, a través de cirugía poco invasiva, y posteriormente completado el proceso de entrecruzamiento mediante radiación UV, lo que le confiere las propiedades finales del material. Por el contrario, el bioelastómero que precisa de curado térmico no permite esta opción, y debe ser curado previamente a su implantación en el cuerpo humano, dado que la exposición a temperaturas mayores de la temperatura corporal provocaría el daño y muerte de las células vivas que componen el tejido situado alrededor del elastomero implantado.

En la figura 6B se muestra una imagen micrográfica de una superficie criofracturada del composite curado, en el que se aprecia la alta adhesión y buena infiltración de las nanofibras con la matriz polimérica de PMS.

En la figura 7 se muestran las curvas tensión-deformación obtenidas para los componentes puros de poli (manitol-sebacato)-PMS y nanofibras de PLA, así como los biocomposites de PMS/PLA reforzados con diferente porcentaje de refuerzo de nanofibras de PLA. Las fibras poliméricas de PLA presentan un comportamiento plástico con una resistencia a la rotura y rigidez mayor que la matriz de PMS. A medida que se va incrementando el porcentaje de nanofibras, se obtiene un incremento notable en la resistencia y rigidez del composite, sin afectar a la pérdida de alargamiento, si se compara con la matriz de PMS pura. De este modo, se observa un incremento en la tenacidad del composite con la adición de un porcentaje de nanofibras por encima del 10% ( figura 7).

Los estudios de biodegradación se realizaron con muestras planas con una sección de 20 mm ^* 20 mm. La figura 8 muestra la cinética de degradación para polímeros puros de PMS, nanofibras de PLA y biocomposites de PMS/PLA con diferente porcentajes de nanofibras. Un mayor grado de entrecruzamiento permite ralentizar el proceso de biodegradación. Este hecho es de vital importancia en aplicaciones biomédicas tales como la reparación de hernias, regeneración dérmica, estabilización de fracturas y colocación de stents. A través de la incorporación del refuerzo de nanofibras de PLA se consigue reducir el proceso de degradación en el composite, siendo este valor menor al 20% de pérdida de masa después de 240 días de exposición para una muestra con al menos 10%(peso/peso) de nanofibras.