Fibers and porous scaffolds from alginate
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2015
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Abstract
Estructuras construidas a partir de geles pueden encontrar varias aplicaciones. Esta tesis propone que es posible fabricar fibras y matrices porosas basadas en geles de alginato con propiedades mejoradas y para diferentes potenciales usos. Variando la composición y las técnicas de procesamiento, tanto las propiedades físicas, mecánicas y microestructurales de estas estructuras pueden hacerse a la medida. Los objetivos generales de esta tesis fueron preparar estructuras homogéneas (fibras y matrices porosas) basadas en el proceso de gelación del alginato, determinar sus propiedades y sugerir aplicaciones en los campos de la biomedicina y/o los alimentos. Fibras de alginato de calcio de diámetro continuo y uniforme fueron producidas con éxito utilizando un dispositivo de microfluídos y sus propiedades mecánicas fueron estudiadas dentro de un rango de concentraciones de calcio y alginato. El esfuerzo tensil de las fibras aumentó con la concentración del catión Ca2+ hasta una determinada concentración (máximo de 1,41%), a concentraciones más altas de calcio, la fuerza tensil de las fibras disminuye. Este máximo, parece indicar que un determinado número y tamaño de sitios de unión se alcanza a lo largo de las cadenas poliméricas. Las propiedades mecánicas del gel están relacionadas directamente con el número de reticulaciones o "caja-huevos" formados. Además, una Matriz Porosa Biopolimérica (BPM) de alginato de calcio/gelatina fue creada mediante la técnica porógeno-lixiviación.
El proceso implica la incorporación del porógeno (solución de gelatina aireada), moldeo, gelificación del alginato, re-moldeo, lixiviación de la gelatina y liofilización. Cilindros de BPM mostraron una densidad relativa de 0.027 ± 0.002, porosidad de 97.26 ± 0.18%, un tamaño de poro interno promedio de 204 ± 58 \03BCm y propiedades mecánicas mejoradas, esto es, un módulo de Young aparente alrededor de 4.0 MPa y un esfuerzo elástico máximo alrededor de 0.4 MPa. Siguiendo las etapas de preparación de las matrices porosas, dos tipos de BPMs fueron producidas (A y B, lixiviadas y no-lixiviadas, respectivamente). Cada tipo de matriz porosa fue preparada utilizando 1.5%, 2.25% y 3.0% de alginato (llamadas 1, 2, y 3, respectivamente). Sus propiedades físicas, mecánicas, microestructurales y de rehidratación fueron evaluadas. Los tamaños medios de los poros internos disminuyeron de 380 ± 88 a 204 ± 58 micras conforme la concentración de alginato de sodio aumenta de 1.5% a 3.0%, respectivamente (muestras A). Dentro de cada etapa de preparación de BPMs (húmeda, liofilizada y rehidratada), la concentración de alginato no mostró influencia sobre el volumen, pero sí tuvo efecto sobre el módulo de Young aparente.
Las cinéticas de rehidratación de las BPMs mostraron un comportamiento similar. En cuanto a la rehidratación a diferentes temperaturas (20 a 50 °C) el volumen disminuyó ligeramente, mientras que la absorción de agua y módulo aparente de Young permanecieron estables. La mayor absorción de agua fue exhibida por las BPMs con 1,5% de alginato (A1) a 25 ° C, las cuales superaron 16 veces su peso en seco. Además, como una de las posibles aplicaciones, la BPM con 3% de alginato (A3) fue probada como andamio para el cultivo celular (ingeniería de tejidos). Pruebas de cultivo celular in vitro utilizando células madre mesenquimales mantenidas dentro de la BPM, mostraron una excelente respuesta a los ensayos MTT y a la expresión de la fosfatasa alcalina. La BPM proporcionó un microambiente adecuado para la siembra, adhesión, proliferación y diferenciación osteogénica de las células. Las BPMs son estructuras con propiedades controlables que se pueden utilizar en diversas áreas de las ciencias como la biomédica, farmacología, alimentos, ingeniería medioambiental, entre otras.
El proceso implica la incorporación del porógeno (solución de gelatina aireada), moldeo, gelificación del alginato, re-moldeo, lixiviación de la gelatina y liofilización. Cilindros de BPM mostraron una densidad relativa de 0.027 ± 0.002, porosidad de 97.26 ± 0.18%, un tamaño de poro interno promedio de 204 ± 58 \03BCm y propiedades mecánicas mejoradas, esto es, un módulo de Young aparente alrededor de 4.0 MPa y un esfuerzo elástico máximo alrededor de 0.4 MPa. Siguiendo las etapas de preparación de las matrices porosas, dos tipos de BPMs fueron producidas (A y B, lixiviadas y no-lixiviadas, respectivamente). Cada tipo de matriz porosa fue preparada utilizando 1.5%, 2.25% y 3.0% de alginato (llamadas 1, 2, y 3, respectivamente). Sus propiedades físicas, mecánicas, microestructurales y de rehidratación fueron evaluadas. Los tamaños medios de los poros internos disminuyeron de 380 ± 88 a 204 ± 58 micras conforme la concentración de alginato de sodio aumenta de 1.5% a 3.0%, respectivamente (muestras A). Dentro de cada etapa de preparación de BPMs (húmeda, liofilizada y rehidratada), la concentración de alginato no mostró influencia sobre el volumen, pero sí tuvo efecto sobre el módulo de Young aparente.
Las cinéticas de rehidratación de las BPMs mostraron un comportamiento similar. En cuanto a la rehidratación a diferentes temperaturas (20 a 50 °C) el volumen disminuyó ligeramente, mientras que la absorción de agua y módulo aparente de Young permanecieron estables. La mayor absorción de agua fue exhibida por las BPMs con 1,5% de alginato (A1) a 25 ° C, las cuales superaron 16 veces su peso en seco. Además, como una de las posibles aplicaciones, la BPM con 3% de alginato (A3) fue probada como andamio para el cultivo celular (ingeniería de tejidos). Pruebas de cultivo celular in vitro utilizando células madre mesenquimales mantenidas dentro de la BPM, mostraron una excelente respuesta a los ensayos MTT y a la expresión de la fosfatasa alcalina. La BPM proporcionó un microambiente adecuado para la siembra, adhesión, proliferación y diferenciación osteogénica de las células. Las BPMs son estructuras con propiedades controlables que se pueden utilizar en diversas áreas de las ciencias como la biomédica, farmacología, alimentos, ingeniería medioambiental, entre otras.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2015