Fabricación de filamentos y andamios 3d a base de ácido poliláctico-co-glicólico (plga) modificado con partículas de estructuras metal-orgánicas (mofs) y evaluación de sus propiedades osteoinductoras in vitro y osteoregenerativas in vivo

Abstract

Introducción: La degradación del tejido óseo causada por diversas patologías representa un desafío clínico importante, especialmente en el campo de la implantología oral y la cirugía maxilofacial, donde la pérdida ósea dificulta la rehabilitación funcional y estética del paciente. Esta situación ha impulsado la búsqueda de biomateriales capaces de promover la regeneración ósea y brindar soporte estructural simultáneamente en zonas críticas como el reborde alveolar, el piso del seno maxilar o los maxilares atróficos. Aunque muchos de los biomateriales disponibles son principalmente osteoconductores, es decir, que favorecen la adhesión de osteoblastos, no inducen activamente la formación de nuevo tejido óseo como lo haría un biomaterial osteoinductor. La osteoinducción, es la capacidad de estimular la diferenciación de células pluripotentes en osteoblastos. Esta propiedad es clave para lograr una regeneración funcional y completa. En trabajos previos, nuestro equipo demostró que nanopartículas de estructuras metal-orgánicas (MOFs) sintetizadas a base de calcio e impregnadas con iones Ca²⁺ y Li⁺ (CaLi/CaMOF y Li/CaMOF) presentan un alto potencial osteoinductor in vitro. Las MOFs son redes cristalinas nanoporosas formadas por iones metálicos y ligandos orgánicos, cuyas propiedades estructurales permiten diseñar materiales funcionales para aplicaciones biomédicas. Para aprovechar estas propiedades en el entorno clínico, se recurre a la ingeniería tisular, que combina biomateriales bioactivos con polímeros sintéticos biodegradables como el PLGA. Este polímero es biocompatible, reabsorbible e imprimible en 3D, pero carece de propiedades osteoinductoras. Por lo tanto, la incorporación de nanopartículas de MOFs osteoinductoras dentro del PLGA permitiría fabricar filamentos utilizados para imprimir, mediante modelado por deposición fundida (Fused Deposition Modeling, FDM), andamios nanocompósitos 3D con propiedades osteoinductoras in vitro y osteoregenerativas in vivo. Objetivo: Fabricar y caracterizar andamios nanocompósitos impresos en 3D mediante FDM, utilizando filamentos de PLGA modificados con partículas de CaLi/CaMOF y Li/CaMOF, y evaluar sus propiedades osteoinductoras in vitro y osteoregenerativas in vivo. Metodología: Se sintetizaron nanopartículas de MOFs utilizando calcio como nodo y ácido tereftálico como ligando, las cuales fueron posteriormente impregnadas con iones Ca²⁺ y Li⁺ para obtener CaLi/CaMOF y Li/CaMOF. Estas partículas se incorporaron al PLGA en un molino de bolas y la mezcla resultante fue extruida en fundido (Fused filament fabrication, FFF) para elaborar filamentos nanocompósitos con concentraciones del 10 %, 20 % y 40 % para cada tipo de partícula. La caracterización estructural y fisicoquímica de los filamentos incluyó FTIR, DRX, SEM-EDX, DSC, análisis de rugosidad superficial y modelado por elementos finitos. También se evaluaron sus propiedades mecánicas mediante ensayos de compresión. Posteriormente, se realizó la caracterización de bioactividad mediante inmersión en SBF, y la caracterización biológica in vitro con células preosteoblásticas MC3T3, que incluyó ensayos de citocompatibilidad (MTS y Alamar Blue), adhesión celular (microscopía SEM y fluorescencia) y diferenciación osteogénica (ALP, NBT y rojo de alizarina). Tras esta evaluación integral, se seleccionaron los dos filamentos con mejor desempeño: CaLi/CaMOF al 20 % y Li/CaMOF al 20 %, los cuales fueron utilizados para imprimir andamios 3D mediante FDM y fueron implantados en defectos óseos críticos en tibia de ratas Sprague Dawley. A las 8 semanas post-implantación, se realizó la extracción de las muestras y se analizó la densidad y el porcentaje de tejido óseo neoformado mediante micro-CT y microscopía SEM-BSE con mapeo EDX. Resultados: Todos los filamentos modificados con MOFs demostraron una mejora en su desempeño biológico in vitro respecto al PLGA puro y al control. Específicamente, conservaron la citocompatibilidad del PLGA a pesar de la incorporación de partículas, mostraron capacidad para inducir la formación de apatita en condiciones simuladas (bioactividad) y promovieron la diferenciación celular osteogénica, atribuible a las propiedades intrínsecas de las MOFs. Los filamentos con 20 % de CaLi/CaMOF y Li/CaMOF destacaron como los más equilibrados en cuanto a estabilidad estructural, propiedades mecánicas, liberación controlada de iones y respuesta biológica. En el estudio in vivo, ambos tipos de andamio promovieron una regeneración ósea superior al PLGA y al grupo control, siendo el andamio con Li/CaMOF 20 % el que presentó el mejor desempeño general, con mayor volumen óseo neoformado y mejor integración al tejido circundante. Conclusiones: La incorporación de MOFs osteoinductoras en filamentos de PLGA permitió desarrollar andamios impresos en 3D con propiedades estructurales, mecánicas y biológicas mejoradas. Estos andamios mantuvieron la citocompatibilidad del polímero base y adquirieron capacidad para inducir la formación de apatita en condiciones fisiológicas simuladas, así como para promover la diferenciación osteogénica in vitro. En el modelo in vivo, los andamios con MOFs favorecieron una mayor formación de hueso y mejor integración tisular en comparación con el PLGA puro, destacando especialmente el filamento con Li/CaMOF al 20 %. Estos resultados confirman que la incorporación de MOFs confiere propiedades osteoinductoras al PLGA, posicionando a estos nanocompósitos como candidatos prometedores para la regeneración ósea guiada en implantología oral y cirugía maxilofacial.