6.12: Resistencia a la tracción de biomateriales reabsorbibles

1. Preparación de la muestra

1. Cree seis etiquetas que contengan la siguiente información y adjunte las etiquetas en tubos de ensayo atornillados.
   1. Fecha: mes y día
   2. Tipo de muestra: poligliconato o polidioxanona
   3. Tipo de solución: solución ácida (A), alcalina (B) o neutra (N) con pH que oscila entre 2-14.
2. Abra el embalaje de la sutura y retire la sutura. Cortar la aguja y desecharla en el recipiente de objetos punzantes.
3. Cortar la sutura en 3 piezas que son aproximadamente 10-12 en largo.
4. Observe el color y las características físicas de la sutura.
5. Utilice una pinza para medir el diámetro de cada sutura.
6. Pesar cada sutura y colocar una muestra en cada tubo de ensayo.
7. Llene los tubos de ensayo etiquetados como "N" con suficiente agua desionizada para cubrir la sutura, y luego cubra los tubos de ensayo.
8. Utilice una pipeta para llenar los tubos de ensayo con la etiqueta "A" con suficiente solución de 0.001 M HCl para cubrir la sutura. Recuerde tapar los tubos de ensayo.
9. Utilice una pipeta para llenar los tubos de ensayo con la etiqueta "B" con suficiente solución NaOH de 0,001 M para cubrir la sutura. Recuerde tapar los tubos de ensayo.
10. Coloque los seis tubos de ensayo en la rejilla metálica en un horno a 37 oC.

2. Prueba de tracción de la muestra de control

1. Obtenga una sutura fresca, la muestra de control, y colóquela en el accesorio de la UTM y asegúrela en su lugar.
2. Antes de iniciar la tensión en la muestra, cero el UTM presionando las teclas F1 (fuerza cero) y F2 (cero ext). Registre la configuración de velocidad de desplazamiento en la hoja de datos.
3. Asegúrese de que la retención de pico se muestra en el panel de visualización UTM.
4. Inicie el UTM pulsando la tecla de flecha arriba. La fuerza y el desplazamiento comenzarán a cambiar en la UTM.
5. Cargue la muestra hasta que no se aboen. A continuación, detenga la UTM.
6. Registre la fuerza máxima desde la pantalla UTM.

3. Perfil de pérdida de fuerza

1. Retire una de cada muestra (A, B y N) del horno cada semana durante cinco semanas.
2. Mida el pH de la solución en el tubo de ensayo con papel de pH.
3. Enjuague la sutura con agua desionizada y observe cualquier cambio físico o de color en el material de cada muestra.
4. Si es necesario, seque la muestra con una toalla de papel.
5. Pesar cada muestra y registrar el nuevo peso
6. Coloque la muestra en las empuñaduras de la UTM y fíjela en su lugar.
7. Antes de iniciar la tensión en la muestra, cero el UTM presionando las teclas F1 (fuerza cero) y F2 (cero ext).
8. Asegúrese de que se muestra la retención máxima en el panel de visualización UTM y compruebe que la velocidad de desplazamiento en el UTM es la misma que cuando probó la muestra de control.
9. Cargue la muestra hasta que no se aboen. A continuación, detenga la UTM.
10. Registre la fuerza máxima en caso de fallo desde la pantalla UTM.

Las suturas se han utilizado durante miles de años para intervenciones médicas, y los primeros materiales fueron el lino o la tripa de gato.

Las suturas que se utilizan hoy en día se clasifican ahora en dos categorías diferentes, primero por composición, ya sean materiales naturales o sintéticos, y por absorción, ya sea no reabsorbible o reabsorbible. Los materiales reabsorbibles se degradan en el cuerpo principalmente a través de la degradación programada causada por la interacción del agua con grupos químicos específicos en la cadena polimérica. Por lo tanto, estos materiales se utilizan para mantener unida una herida durante un período de tiempo lo suficientemente largo como para sanar sin necesidad de extirparla.

En este video, discutiremos los mecanismos detrás de la degradación del material reabsorbible y demostraremos cómo evaluar el cambio en la resistencia de los materiales a lo largo del tiempo a medida que se exponen a diferentes entornos.

Los materiales reabsorbibles se degradan principalmente en el cuerpo por degradación oxidativa, hidrolítica y enzimática. Los materiales pueden sufrir oxidación in vivo a medida que el cuerpo reacciona al objeto extraño y libera especies oxidativas para atacarlo. El efecto oxidativo sobre los polímeros puede causar la escisión de la cadena y contribuir a la degradación. En la degradación hidrolítica, el agua ataca los enlaces susceptibles en el polímero para generar oligómeros y, finalmente, monómeros.

Los poliésteres como la polidioxanona se utilizan comúnmente como materiales reabsorbibles porque el grupo éster se degrada fácilmente mediante hidrólisis. Después de que el material se implanta, comienza a absorber agua. La escisión hidrolítica comienza entonces donde el material está en contacto con el agua. Los materiales hidrófilos absorben más agua y, por lo tanto, se degradan más rápidamente. Sin embargo, los materiales hidrófobos absorben el agua más lentamente y tienden a degradarse de afuera hacia adentro.

Las enzimas en el cuerpo catalizan varias reacciones y, por lo tanto, también catalizan la degradación hidrolítica de los materiales. La reacción de hidrólisis es catalizada por enzimas llamadas hidrolasas que pueden aumentar la tasa de degradación hidrolítica hasta 10 veces. A medida que el material se degrada, las propiedades mecánicas del material también cambian.

Echemos un vistazo a cómo analizar el cambio en la resistencia de los materiales reabsorbibles a lo largo del tiempo debido a la degradación hidrolítica en ambientes ácidos, neutros y alcalinos.

Para este experimento, obtenga dos tipos de suturas reabsorbibles. En este caso, utilizamos poliglicarato y polidioxanona.

Prepare seis tubos de muestra con tapón de rosca, cada uno etiquetado con la fecha, el tipo de muestra y la solución en la que se colocará la muestra. Debe haber una solución ácida, una alcalina y una neutra para cada tipo de muestra. Aquí, mostramos uno de cada muestra. Sin embargo, debe preparar tres muestras de cada tipo de sutura para cada punto de tiempo.

A continuación, abra el embalaje de la sutura y retire la sutura. Corte la aguja de la sutura y deséchela en el recipiente para objetos punzocortantes. Corte cada sutura en tres pedazos de aproximadamente 10 a 12 pulgadas de largo. Tome nota de las características físicas de la sutura. Utilice un calibrador para medir el diámetro de cada sutura y anote la dimensión inicial.

Finalmente, pese cada sutura, registre el peso y coloque una sutura en cada tubo de muestra. Llene los tubos de muestra neutros con suficiente agua desionizada para que la sutura quede completamente sumergida y tape el tubo. Luego, llene los tubos ácidos con ácido clorhídrico diluido y llene los tubos de muestra alcalina con una solución diluida de hidróxido de sodio. Finalmente, coloque los seis tubos de muestra en una rejilla en una incubadora a 37 grados centígrados.

Ahora echemos un vistazo a cómo determinar la resistencia de las suturas mediante pruebas de tracción. La prueba de tracción carga una muestra estirándola hasta el fallo, lo que permite determinar la resistencia del material.

Primero, pruebe suturas frescas que no se hayan incubado en soluciones de prueba. Coloque la sutura en el accesorio del instrumento y asegúrela en su lugar. La muestra de control debe tener la misma longitud que el instrumento, que es de aproximadamente 10 a 12 pulgadas. A continuación, ponga a cero el instrumento y registre el ajuste de la velocidad de desplazamiento. Asegúrese de que la retención de picos se muestre en el panel de control. A continuación, inicie la tensión en la sutura. La fuerza y el desplazamiento comenzarán a cambiar en el instrumento. Cargue la sutura hasta que falle. A continuación, apague el instrumento y registre la fuerza máxima desde el panel de visualización.

Ahora vamos a medir la resistencia a la tracción de las muestras que han sido expuestas a soluciones a pH variable.

Después de la cantidad de tiempo especificada, retire las muestras del horno. Mida el pH de la solución en cada tubo con papel de pH. Después de haber medido el pH de todas las soluciones, retire la sutura que se va a probar y enjuáguela con agua desionizada. Toma nota de las características físicas del material.

Seque la muestra con una toalla de papel, luego pésela y registre la nueva masa. A continuación, coloque la muestra en las empuñaduras del probador de tracción y asegúrela en su lugar. Ponga a cero el instrumento y asegúrese de que la velocidad de desplazamiento sea la misma que la utilizada para la muestra de control. Compruebe también que se muestra la retención de picos. Ahora, cargue el espécimen hasta que falle. Registre la fuerza máxima desde la pantalla. Repita la prueba de tracción para cada muestra en el transcurso del estudio del tiempo.

Ahora veamos cómo analizar los datos para determinar la fuerza de las muestras.

En primer lugar, calcule la tensión de tracción media de cada muestra dividiendo la fuerza máxima por el área de la sección transversal de la sutura. Luego, calcule el porcentaje de resistencia a la tracción retenido por la sutura después de la incubación utilizando la fórmula que se muestra. Un gráfico de la resistencia a la tracción a lo largo del tiempo para cada muestra muestra que la resistencia de ambos tipos de suturas disminuyó con el tiempo en soluciones ácidas, neutras y alcalinas.

Las estructuras de polidioxanona se degradaron más en la solución ácida, con solo el 41% de la resistencia a la tracción original retenida después de cinco semanas, mientras que el 49 y el 78% de la resistencia se mantuvieron para las soluciones neutra y alcalina, respectivamente. Las suturas de poliglicarato se degradaron de manera similar en las tres soluciones, conservando alrededor del 42% de resistencia en soluciones ácidas, neutras y alcalinas después de cinco semanas. Los resultados son esperados, ya que ambos materiales poseen enlaces éster que son susceptibles a la escisión hidrolítica, que se mejora a pH alto y bajo.

Ahora echemos un vistazo a dónde se utilizan los materiales reabsorbibles en el campo de la ingeniería biomédica.

Los materiales reabsorbibles, como las suturas probadas en este video, se utilizan con mayor frecuencia en los procedimientos quirúrgicos para permitir la cicatrización de los sitios quirúrgicos y eliminar la necesidad de retirar las suturas. Sin embargo, los materiales reabsorbibles también desempeñan un papel en la ingeniería de tejidos como andamio para el tejido de ingeniería. Los andamios de tejido reabsorbibles proporcionan la estructura tridimensional inicial para el tejido, pero se degradan lentamente a medida que las células crecen y crean su propio material estructural. Eventualmente, el andamio inicial ya no es necesario y el tejido diseñado se asemeja más al tejido nativo.

El injerto óseo consiste en reemplazar el hueso faltante o dañado para ayudar a sanar las fracturas grandes. En este estudio, los investigadores crearon un defecto en el cráneo perforando un agujero de cinco milímetros. El fragmento óseo se desprendió y el injerto óseo se unió al hueso mediante cola de fibrina. Aunque a menudo se utiliza hueso de donante, los materiales reabsorbibles presentan una alternativa que permite que el injerto se degrade a medida que crece el hueso nativo.

Acabas de ver la introducción de JoVE a los materiales reabsorbibles. Ahora debería comprender cómo se degradan estos materiales in vivo e in vitro, cómo probar los cambios de resistencia debidos a la degradación y algunas aplicaciones de estos materiales en el campo de la ingeniería biomédica. ¡Gracias por mirar!