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Grafeno y nanomedicina: la combinación perfecta para una salud mejorada

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno y nanomedicina:

la combinación perfecta para una salud mejorada

Parte lll. Odontología- Implantología

La aplicación de la nanotecnología en la nanomedicina se fundamenta en que la mayoría de las moléculas biológicas desde el ADN, aminoácidos y proteínas hasta constituyentes como la hidroxiapatita y las fibrillas de colágeno, entre otros, existen y funcionan en la escala nanométrica.

Nanómetro (nm): millonésima parte de 1 milímetro.

Los materiales grafénicos son nanopartículas de carbono en forma de láminas de dos dimensiones (2D) que han ganado popularidad en el campo de las ciencias biomédicas no sólo por sus increíbles propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y biológicas, sino también por su capacidad de transferir estas propiedades a otros materiales permitiendo la posibilidad de crear nuevos compuestos con características avanzadas. En Odontología y en particular en lo relacionado con la implantología, esta transferencia de propiedades ha permitido abrir numerosas líneas de investigación con grandes expectativas debido al interesante efecto sinérgico entre el control de infecciones y su capacidad regenerativa.1

Nanopartícula: partícula que mide entre 1 y 100 nm.

El grafeno como nueva estrategia para el diseño y manipulación de implantes dentales y regeneración tisular. Tomado de Tissue Eng Regen Med. 2017; 14(5): 481

¿Cuáles son los problemas que el grafeno podría resolver?

Osteointegración

Una de las principales preocupaciones después de la colocación de un implante es el fracaso en su osteointegración. Esto puede ocurrir porque en la interfase hueso- implante en lugar de crecer células óseas, crece un tejido fibroso que no permite la estabilización del implante. Una alternativa para favorecer las condiciones del sitio donde ocurrirán las interacciones celulares es la modificación de la superficie del implante por medio de métodos físicos o químicos para crear nanoporosidades que aumenten la superficie de área y favorezcan la actividad celular. 2

Oseointegración: conexión firme, estable y duradera entre un implante y el hueso que lo rodea. Su éxito depende de factores biológicos y sistémicos del paciente, además de las características del implante.

En el caso de los materiales grafénicos, además de su extensa y extremadamente fina superficie de área de un átomo de espesor, otro de sus valores agregados es la nube de electrones que los rodea y la presencia de algunos grupos oxigenados les permite interactuar con las proteínas séricas para formar una adhesión focal. Es decir, el carácter hidrofóbico/hidrofílico de estos nanomateriales en combinación con la rugosidad de la superficie coadyuva en la interacción con las proteínas y posteriormente con las células, actuando como andamio para promover el crecimiento, diferenciación y anclaje de las células óseas en el implante, favoreciendo el camino para una osteointegración estable y predecible con una mejor proyección de la vida útil.3,4 

El Impacto regenerativo de los materiales grafénicos reside en su gran habilidad para adsorber proteínas creando una capa entre las células y las superficies de los materiales para promover la adhesión y proliferación celular.1

Control de infecciones

Otra causa para el fallo de un implante es la aparición de infecciones peri- protésicas o peri- implantares; para evitarlas es común utilizar técnicas como impregnación con antibióticos, sistemas locales de administración de fármacos y el recubrimiento de implantes con nanotubos de titanio, nanopartículas de plata o con nano- películas polipeptídicas para la liberación controlada de antibióticos.5 No obstante, el preocupante aumento de la resistencia a antibióticos ha desencadenado que estas estrategias sean cada vez menos efectivas.

Los materiales grafénicos además de su biocompatibilidad, cuentan con propiedades antimicrobianas intrínsecas con ventajas sobre los antibióticos tradicionales al tener menos posibilidades de desarrollo de resistencia microbiana. Estos efectos desde hace varios años son explorados por la odontología sobre materiales biocerámicos como la alúmina y el zirconio, metales como el titanio, materiales de restauración como el ionómero de vidrio y materiales poliméricos como el polimetilmetacrilato (PMMA), por mencionar algunos. En general, los mecanismos antimicrobianos aceptados para estas nanoestructuras son: 1) daño físico a la membrana, 2) estrés oxidativo, 3) inactivación por extracción de electrones, 4) aislamiento contra el paso de nutrientes y finalmente, 5) en el caso de los recubrimientos, el control de la hidrofobicidad y la energía de superficie también puede impedir la unión de células con baja afinidad y prevenir la formación de biopelículas.6,7

Biopelícula: Capa de microorganismos que crecen y se adhieren a la superficie de una estructura natural como los dientes (placa dentobacteriana) o artificial como un dispositivo médico (catéteres intravasculares).

En 2021 un grupo de científicos de la universidad de Gwangju, Corea, publicó un estudio en el cual recubrieron implantes de zirconio con óxido de grafeno por el método de plasma de argón. Sus resultados reportaron que esta modificación redujo en un 58.5% la presencia del Streptococcus mutans, la bacteria de mayor influencia en la formación de la placa dentobacteriana y de la caries dental, concordando con una importante reducción en el espesor de la biopelícula del 43.4%. Además del efecto antimicrobiano también evidenciaron un aumento estadísticamente significativo del 3.2% y 15.7% en la proliferación y diferenciación de las células óseas.8 Estos resultados son consistentes con lo reportado por la  Universidad Jiao Tong, Shanghái, sobre un material híbrido de titanio con grafeno sintetizado por la técnica de sinterización por plasma de chispa (SPS). De igual manera, la investigación demostró una interesante disminución de la formación de biopelículas multibacterianas compuestas por Streptococcus mutans, Fusobacterium nucleatum y Porphyromonas gingivalis, acompañada poruna mejora en la actividad de los fibroblastos gingivales humanos, uno de los grupos celulares más importantes que participan en la cicatrización.9 Además de la sinergia entre el control de infecciones y su capacidad regenerativa, otros estudios relacionados con la implantología dental, también están enfocando su atención en las propiedades mecánicas para el diseño de nuevos implantes o materiales de restauración. 10- 12

Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, a lo largo de 10 años de carrera ha superado numerosos retos científicos y comerciales para llegar al mercado con productos para distintas industrias. Y siendo consiente que para llegar al sector salud es fundamental realizar  exhaustivas evaluaciones, hace una atenta invitación a todas aquellas empresas y/o centros de investigación que estén interesados en seguir explorando los beneficios de los materiales grafénicos y sentar bases cada vez más sólidas sobre su uso seguro para aplicaciones biomédicas. 

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. ¿Can Graphene Oxide Help to Prevent Peri-Implantitis in the Case of Metallic Implants? Coatings 2022, 12, 1202.
  2. New design of a cementless glenoid component in unconstrained shoulder arthroplasty: a prospective medium term analysis of 143 cases. Eur J Orthop Surg Traumatol 2013. 23(1):27–34 7. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
  3. Graphene-Based Biomaterials for Bone Regenerative Engineering: A Comprehensive Review of the Field and Considerations Regarding Biocompatibility and Biodegradation. Adv. Healthc. Mater. 2021, 2001414.
  4. Nanotechnology and bone regeneration: a mini review. 2014 Int Orthop 38(9):1877–1884 /1. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
  5. Graphene: ¿An Antibacterial Agent or a Promoter of Bacterial Proliferation? iSciencie. 2020.  23, 101787
  6. Graphene: The game changer in dentistry. IP Annals of Prosthodontics and Restorative Dentistry 2022;8(1):10
  7. Antibacterial Activity of Graphene Depends on Its Surface Oxygen Content.
  8. Direct-Deposited Graphene Oxide on Dental Implants for Antimicrobial Activities and OsteogenesisInt. J. Nanomedicine 2021 :16 5745
  9. Graphene-Reinforced Titanium Enhances Soft Tissue Seal. Front. Bioeng. Biotechnol. 2021. 9:665305.
  10. Graphene-Doped Polymethyl Methacrylate (PMMA) as a New Restorative Material in Implant-Prosthetics: In Vitro Analysis of Resistance to Mechanical Fatigue. J. Clin. Med. 2023, 12, 1269.
  11. Mechanical Characterization of Dental Prostheses Manufactured with PMMA–Graphene Composites. Materials 2022, 15, 5391
  12. Fabrication and properties of in situ reduced graphene oxide-toughened zirconia composite ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2018, 101, 8

La seguridad del grafeno en la salud humana: lo que la ciencia dice al respecto

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La seguridad del grafeno en la salud humana:

lo que la ciencia dice al respecto

Parte ll. ¿Son seguros los materiales grafénicos para los seres humanos?

La familia de los materiales grafénicos comprende una amplia gama de nanoestructuras de carbono de dos dimensiones (2D) en forma de láminas que se diferencian entre sí por las particularidades derivadas del método de producción o bien, por las innumerables funcionalizaciones que se pueden realizar después de su obtención. En 2022 la revista Nature, una de las revistas científicas más importantes a nivel mundial publicó un estudio en el cual se analizaron 36 productos de proveedores de grafeno de países como Estados unidos, Noruega, Italia, Canadá, India, China, Malaysia e Inglaterra, concluyendo que los grafenos representan una clase heterogénea de materiales con características y propiedades variables1 ya sea mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas, biológicas, etc., que se pueden transferir a una gran cantidad de compuestos tridimensionales (3D) para modificar o crear nuevos productos.

“Indudablemente el grafeno y la nanotecnología en general siguen siendo temas controversiales pues nos enfrentan a un mundo difícil de ver y comprender, pero con efectos simplemente sorprendentes”

¿Son seguros los materiales grafénicos?

Los materiales grafénicos prometen ser una importante herramienta dentro de las tecnologías biomédicas; en principio sus beneficios se pueden aprovechar para el diseño de elementos diagnóstico como sensores y dispositivos para imagenología hasta interfases neuronales, terapia génica, entrega de medicamentos, ingeniería de tejidos, control de infecciones, fototerapia para el tratamiento del cáncer, medicina bioelectrónica y estomatológica, entre otras. Pero para que puedan ser realmente utilizados en este tipo de tecnologías primero se deben comprender sus interacciones con el medio biológico o en su defecto, asegurar que su presencia no altere el entorno natural de las células. En este sentido, se han realizado numerosos estudios con las diferentes formas, presentaciones y concentraciones disponibles de grafeno cuyos hallazgos gradualmente han ido allanando el camino para un uso seguro en las tecnologías biomédicas:   

i) Materiales grafénicos en su forma libre. En pruebas in vitro, la exposición de células epiteliales de pulmón humano a láminas de grafeno a concentraciones menores de 0.005 mg/ml no provocó cambios importantes en su morfología o adhesión,2,3 tampoco se identificó actividad citotóxica en células madre derivadas de tejido adiposo humano, ligamento periodontal y pulpa dental expuestas a 0.5 mg /ml de GO,4 incluso y comprendiéndose un posible efecto dosis- tamaño dependiente, otras investigaciones reportan concentraciones seguras por debajo de los 40 mg/ml o bien, que no excedan el 1,5 % p/v. 5-8  

Finalmente, uno de los estudios in vivo más recientes publicado por la Universidad de Manchester, Reino Unido, sobre la respuesta pulmonar de ratones expuestos al óxido de grafeno (GO) en vías respiratorias, no identificó daños significativos o fibrosis pulmonar a 90 días de seguimiento. Estos resultados dan bases sólidas sobre la seguridad de estas nanoestructuras sin desestimar las medidas de seguridad básicas, como el hecho de evitar su inhalación.9 Asimismo, científicos de la Universidad de Trieste, Italia, analizaron el impacto de los materiales grafénicos en la piel, reportando baja toxicidad sobre las células.10

“Es poco probable que los materiales grafénicos en su forma libre se utilicen para estar en contacto con el medio biológico, generalmente se funcionalizan o inmovilizan en otros materiales para desarrollar una aplicación”

ii) Materiales grafénicos funcionalizados. Funcionalización es el término que hace referencia a la modificación química de un nanomaterial para otorgarle una “función”, es decir, para facilitar su incorporación con otros compuestos o para beneficiar su biocompatibilidad y dirigir mejor su uso mediante el anclaje de grupos funcionales, moléculas o nanopartículas. Un estudio publicado por la revista Nature Communications sobre las bioapliaciones del grafeno, remarca la importancia de su funcionalización con grupos amino para que sean más compatibles con las células inmunitarias humanas.11,12

“La funcionalización más común del grafeno es el anclaje de grupos oxigenados en su superficie, a este material se le conoce como óxido de grafeno”

iii) Inmovilización en polímeros. El uso de los materiales grafénicos como nano- relleno de plásticos, resinas, recubrimientos, etc., es la forma más común en la que estas nanoestructuras son utilizadas. Para el sector biomédico su inmovilización en polímeros ha demostrado buena biocompatibilidad y estimulación de la proliferación celular; actividad antimicrobiana y mejora de las propiedades mecánicas de los polímeros, siendo clasificados como excelentes candidatos para la fabricación de dispositivos de fijación ósea, andamios moleculares, implantes en ortopedia o materiales dentales.13- 15

Ante el gran potencial de los materiales grafénicos en las ciencias de las salud, pero también debido a las numerosas interrogantes sobre su seguridad, un equipo internacional de investigación del proyecto europeo Graphene Flagship, dirigido por el EMPA (acrónimo alemán del Instituto Federal de Pruebas e Investigación de Materiales), realizó un estudio para evaluar los posibles efectos sobre la salud de los materiales grafénicos inmovilizados dentro de un polímero; los resultados demostraron que las partículas de grafeno liberadas de dichos compuestos poliméricos después de la abrasión inducen efectos poco significativos.16

“Es tranquilizador ver que este estudio muestra efectos insignificantes, lo que confirma la viabilidad del grafeno para aplicaciones masivas. Andrea C. Ferrari, Oficial de Ciencia y Tecnología del Graphene Flagship”.17,18

Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, a lo largo de 10 años de carrera ha superado numerosos retos científicos e industriales para llegar al mercado con productos de uso industrial.  En 2018 comenzó a explorar las capacidades antimicrobianas de sus productos con excelentes resultados in vitro y en ambiente relevante; actualmente y en conjunto con otros centros de investigación se encuentra realizando evaluaciones para explorar el potencial de sus materiales como nano- refuerzo de biopolímeros.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Cytotoxicity survey of commercial graphene materials from worldwide. npj 2D Materials and Applications (2022) 6:65
  2. Biocompatibility of Pristine Graphene Monolayers, Nanosheets and Thin Films. 2014, 1406.2497.
  3. Preliminary In Vitro Cytotoxicity, Mutagenicity and Antitumoral Activity Evaluation of Graphene Flake and Aqueous Graphene Paste. Life 2022, 12, 242
  4. Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1
  5.  Graphene substrates promote adherence of human osteoblasts and mesenchymal stromal cells. Carbon. 2010; 48: 4323–9
  6. Multi-layer Graphene oxide in human keratinocytes: time-dependent cytotoxicity. Prolifer Gene Express Coat 2021; 11:1
  7. Cytotoxicity assessment of graphene-based nanomaterials on human dental follicle stem cells. Colloids Surf B Biointerfaces. 2015; 136:791
  8. Arabinoxylan/graphene-oxide/nHAp-NPs/PVA bionano composite scaffolds for fractured bone healing. 2021. J. Tissue Eng. Regen. Med. 15, 322.
  9. Size-Dependent Pulmonary Impact of Thin Graphene Oxide Sheets in Mice: Toward Safe-by-Design. Adv. Sci. 2020, 7, 1903200
  10. Differential cytotoxic effects of graphene and graphene oxide on skin keratinocytes. 2017. Sci Rep 7, 40572
  11. Amine-Modified Graphene: Thrombo-Protective Safer Alternative to Graphene Oxide for Biomedical Applications. ACS Nano 2012, 6, 2731
  12. Single-cell mass cytometry and transcriptome profiling reveal the impact of graphene on human immune cells. Nature Communications, 2017, 8: 1109,
  13. In-vitro cytotoxicity of zinc oxide, graphene oxide, and calcium carbonate nano particulates reinforced high-density polyethylene composite. J. Mater Res. Technol. 2022. 18: 921
  14. Graphene-Doped Polymethyl Methacrylate (PMMA) as a New Restorative Material in Implant-Prosthetics: In Vitro Analysis of Resistance to Mechanical FatigueJ. Clin. Med. 2023, 12, 1269
  15. High performance of polysulfone/ Graphene oxide- silver nanocomposites with excellent antibacterial capability for medical applications. Matter today commun. 2021. 27
  16. Hazard assessment of abraded thermoplastic composites reinforced with reduced graphene oxide. J. Hazard Mater. 2022. 435. 129053
  17. https://www.empa.ch/web/s604/graphene-dust
  18. https://www.graphene-info.com/researchers-asses-health-hazards-graphene-enhanced-composites

Grafeno: La próxima revolución en aplicaciones biomédicas

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno:

La próxima revolución en aplicaciones biomédicas

Parte I. Ingeniería de Tejidos

Los avances en la medicina han llegado a niveles hasta hace poco tiempo, inimaginados. Entre ellos, la ingeniería de tejidos tiene una participación importante. Con ella es posible combinar células, biomateriales y moléculas biológicamente activas con el objetivo de reparar o replicar tejidos u órganos con un funcionamiento similar al de la estructura original. En principio, los biomateriales son utilizados como andamios moleculares para que actúen como soporte o guía tridimensional (3D) para el anclaje y crecimiento de las células que se encargarán de formar el nuevo tejido.

Los primeros andamios moleculares se diseñaron con materiales naturales como el colágeno, glicosaminoglicanos (GAGs), quitosano y alginatos; después con compuestos artificiales como el poliácido láctico (PLA), ácido poliglicólico (PGA), ácido poli (láctico-co-glicólico) (PLGA), poliuretanos (PUs), politetrafluoroetileno (PTFE), polietilentereftalato (PET); biocerámicas como la hidroxiapatita (HA) y fosfato tricálcico; metales como el acero inoxidable, aleaciones cromo-cobalto (Co-Cr) o aleaciones de titanio (Ti) y recientemente, las nuevas investigaciones se orientan al uso de la nanotecnología.

La relación entre la nanotecnología y la ingeniería de tejidos se debe a que la matriz extracelular (MEC) que ayuda a que las células se unan y se comuniquen entre sí, está formada por una red de fibras de tamaño nanométrico compuesta por moléculas bioactivas. Es en este punto donde la nanotecnología abre nuevas posibilidades a la medicina regenerativa, pues se ha comprobado que el uso de materiales que actúen en la misma escala nanométrica de la MEC favorece para mimetizar el entorno fisiológico del organismo para estimular el crecimiento y diferenciación celular en un ambiente más natural.

Entre los nanomateriales más estudiados en los últimos años están los materiales grafénicos,que consisten en láminas nanométricas de átomos de carbono organizados en redes hexagonales de dos dimensiones (2D). Entre las propiedades más interesantes para la ingeniería de tejidos destacan su extensa superficie de área, resistencia mecánica, conductividad térmica, biocompatibilidad y finalmente, una extraordinaria capacidad para compartir sus propiedades con otros materiales para mejorar sus características originales.

Por ejemplo, el uso de materiales grafénicos dentro de la arquitectura 3D de ciertos biopolímeros en pruebas realizadas sobre tejidos de corazón, hígado, hueso, cartílago y piel, ha demostrado mejoras sustanciales de sus propiedades fisicoquímicas, mecánicas, eléctricas y biológicas, logrando excelente respuesta para la adhesión y diferenciación de células madre.

En 2022 el centro tecnológico Andaltec (España) reportó el desarrollo de un material a partir de polímeros derivados del grafeno por impresión 3D con gran potencial para la regeneración de tejido muscular. Ellos demostraron que en presencia de los derivados de grafeno las células se contraen y se expanden sin que exista un estímulo externo, por lo tanto, tiene grandes posibilidades para su uso en medicina regenerativa.

Por otro lado, la División de Estudios de Posgrado e Investigación (DEPeI) en Odontología, UNAM y la Escuela Nacional de Estudios Superiores (ENES) Unidad León, Mx., a través de un estudio publicado en el J Oral Res 2021 respalda las posibilidades del óxido de grafeno (GO) en el diseño de biomateriales para uso odontológico. Los resultados de la investigación realizada sobre muestras de GO (Graphenemex®) concluyeron que este nanomaterial en combinación con el polimetilmetacrilato (PMMA), además de mejorar sus propiedades físico-mecánicas, también demostró buena compatibilidad y una interesante estimulación de la proliferación celular al ser evaluado sobre cultivos con fibroblastos-gingivales, células-pulpares-dentales y osteoblastos humanos.

En 2020, investigadores de la Universidad de Málaga (España) publicaron otro estudio que de igual manera identificó al GO como el material idóneo para la medicina regenerativa. El estudio realizado sobre un modelo animal evidenció alta biocompatibilidad de distintos tipos de óxido de grafeno con células dopaminérgicas, favoreciendo su maduración y protegiéndolas de las condiciones tóxicas de la enfermedad de Parkinson, esto resultados postulan al GO como un andamio adecuado para probar nuevos fármacos o desarrollar construcciones para la terapia de reemplazo de células de la enfermedad de Parkinson.

A pesar de la gran cantidad de investigaciones sobre las interacciones de los materiales grafénicos con los medios biológicos, aún queda un largo camino por recorrer para tener estos biomateriales disponibles y en funcionamiento clínico. Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, en colaboración con otras compañías y centros de investigación busca contribuir con la ciencia para comprender estas interacciones en un marco de seguridad, para sentar bases sólidas sobre el uso de la nanotecnología grafénica en el sector biomédico en beneficio de la sociedad.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Graphene and its derivatives: understanding the main chemical and medicinal chemistry roles for biomedical applications. J Nanostructure Chem, 2022, 12:693
  2. Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1
  3. Graphene-Based Antimicrobial Biomedical Surfaces. ChemPhysChem 2021, 22, 250
  4. Functionalized Graphene Nanoparticles Induce Human Mesenchymal Stem Cells to Express Distinct Extracellular Matrix Proteins Mediating Osteogenesis. Int J Nanomed 2020:15 2501
  5. Graphene Oxide and Reduced Derivatives, as Powder or Film Scaffolds, Differentially Promote Dopaminergic Neuron Differentiation and Survival. Front. Neurosci., 21 December 2020. Sec. Neuropharmacology Volume 14
  6. International Journal of Nanomedicine 2019:14 5753
  7. Biocompatibility Considerations in the Design of Graphene Biomedical Materials. Adv. Mat. Interfaces 2019, 6, 1900229
  8. Graphene based scaffolds on bone tissue engineering. Bioengineered, 2018, 9:1, 38
  9. When stem cells meet graphene: Opportunities and challenges in regenerative medicine. Biomaterials, 2018, 155, 236
  10. Graphene-based materials for tissue engineering. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016,105, 255
  11. Capítulo 92e: Ingeniería de tejidos, Anthony Atala. 2023 McGrawHill.

Tomado de Journal of Nanostructure in Chemistry (2022) 12:693