Volfil I+D: de nuevos monofilmentos en base a biopolímeros avanzados y de altas prestaciones

De las 1.339 empresas dedicadas al plástico de la Comunidad Valenciana, 63 se dedican a la extrusión de cinta y monofilamento. Por ello, el Proyecto Volfil se centra en la generación de conocimiento sobre nuevos productos de extrusión monofilamento y el uso de bio-polímeros con nuevas funcionalidades. Los dos campos de aplicación a los cuales va destinado el proyecto Volfil viene dado por dos problemáticas detectadas en la actualidad.

El incipiente interés en el desarrollo de sensores ópticos avanzados mediante la adaptación de Fibra Óptica Polimérica (POF) crece incesantemente debido a su versátil aplicación en campos como Biomedicina, Ingeniería Civil y Textil, entre otros. Los nuevos sensores ópticos avanzados presentan múltiples ventajas en comparación con los sensores electrónicos usados actualmente, destacando la inmunidad ante los campos eléctricos y magnéticos, la no radiación electromagnética por lo que no interfieren en elementos electrónicos como marcapasos; no necesitan fuente de alimentación y su bajo peso proporciona una mayor capilaridad de puntos de sensado. Aprovechando las múltiples ventajas que ofrecen en comparación con los sensores electrónicos usados en la actualidad, Aitex en colaboración con el Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (iTEAM) desarrollará nuevos sensores ópticos avanzados que se incorporarán en colchones con un mallado irregular integrado de fibra óptica polimérica que identifique claramente la posición de cada uno de los puntos de sensado con el objetivo de monitorizar constantes vitales.

La primera POF se comercializó en 2005 bajo el nombre de ESKA por Mitsubishi mediante un proceso que implica dos pasos: extrusión monofilamento de Polimetilmetacrilato (PMMA) y un post-procesado de deep-coating para recubrir la fibra con Fluoruro de Polivinilideno (PVDF). La Innovación del proyecto Volfil se centra en dos elementos: Simplificar el proceso de fabricación de POF en un solo paso mediante extrusión bi-componente core-sheath abaratando los costes de producción; y, por otro lado, debido a la simplicidad del proceso, obtener geometrías especiales que proporcionen nuevas posibilidades y que hasta el momento no han sido comercializadas. El material más frecuentemente utilizado para fibras poliméricas es el Pexiglas, material amorfo por lo tanto transparente. Las fibras poliméricas POF están incrementando su uso comercial debido a su mayor flexibilidad y propiedades mecánicas, las cuales permiten embeber la fibra POF en tejidos.

Las lesiones craneales son los traumas más frecuentemente observados en los centros médicos, generalmente producidos en gente de la tercera edad. Estos traumas aumentan el peligro de derrame cerebral, lo cual es una de las mayores causas de muerte y discapacidad a nivel mundial. Según el National Institute on Aging (US Department of Health and Human Services), el porcentaje de personas mayores de 61 años (8,1% en 2014) se triplicará para el 2050. Por consiguiente, existe un gran esfuerzo centrado en el estudio y desarrollo de materiales bio-compatible y bio-absorbibles capaces de cumplir con los requisitos para la remodelación de fracturas oseas. En el marco del proyecto Volfil se desarrollará monofilamentos continuos a partir de bio-polímeros (de origen bio y petroquímico, bio-degradables, bio-compostables y bio-compatibles) aditivados con cargas inorgánicas con la doble funcionalidad de aumentar las propiedades mecánicas del material y otorgar propiedades regenerativas de tejidos para su futura utilización en la impresión 3D de andamios moleculares para el campo de la biomedicina.

Polímeros bio-absorbibles, como la Poli(e-caprolactona) (PCL), ácido Poliláctico (PLA) y el Polihidroxibutilato (PHB) son ampliamente utilizados en biomedicina debido a su fácil moldeo y su bio-compatibilidad. Estudios previos se centran en la aditivación de matrices poliméricas con cargas con el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas de los scaffolds para resistir las fuerzas que se ejerce durante la reconstrucción de los huesos dañados. A su vez, dichas cargas proporcionan propiedades osteoinductivas que mejoran la adhesión de las células sobre las matrices poliméricas, acelerando el proceso de regeneración osea. Aditivar la matriz polimérica con cargas como la Hidroxiapatita (HA) y nano-esferas de sílice (SiO₂), es una manera interesante de mejorar las propiedades biológicas y mecánicas del material. La HA es el mineral que se encuentra en mayor proporción en los huesos, está presente en la naturaleza en grandes cantidades y es económico. La HA se utiliza en este tipo de estudios debido a su biocompatibilidad además de sus propiedades osteoconductivas y osteoinductivas, lo cual acelera el proceso de regeneración del hueso dañado. Estudios previos utilizaron la adición de HA y SiO₂ en la matriz polimérica de PCL, PLA y PHB, aumentando sus valores de resistencia a la tracción hasta un 38%, 150% y 40% respectivamente. Este aumento de propiedades mecánicas se adscribe a un efecto sinérgico entre el polímero y la carga, debido a fuertes interacciones químicas entre los grupos funcionales del polímero y de las cargas.

Inicialmente se obtuvieron 20 mezclas poliméricas mediante una extrusora de doble usillo co-rotante para obtener mezclas óptimas entre el polímero y la carga. Los polímeros vírgenes y los híbridos (1:1) se usaron como control y se aditivaron con un 2.5% de cargas. En la Tabla 1 se presentan las mezclas de materiales obtenidos. Posteriormente se obtuvieron carretes de monofilalento de impresión 3D de las diferentes mezclas con un diámetro de 2,85 mm para poder imprimir mallas circulares utilizando una impresora 3D.

Mezclas y híbridos obtenidos para el estudio mecánico y biológico especificando el porcentaje de aditivación de HA y SiO₂.

Se imprimieron 60 mallas circulares (scaffolds) con un diámetro de 8mm y una altura de 1,5 mm, tamaño de poro de 150-200 µm, porosidad del 75% para cada tipo de material (figura 1). Se optimizaron los parámetros de impresión ajustado las temperaturas, velocidades y el caudal. Las muestras obtenidas se esterilizaron y se estudió como afecta la química y geometría del material a la afinidad y viabilidad celular, la biocompatibilidad y la biodegradabilidad de los compuestos en un ambiente fisiológico.

En la primera etapa del estudio, se analizaron las propiedades mecánicas de las mezclas mediante la obtención del módulo de Young y el módulo de Flexión. En rasgos generales, las propiedades mecánicas de las mezclas poliméricas aumentan con la adición de HA y de SiO₂ por separado, observando una ligera disminución de las propiedades cunado los dos aditivos son combinados). Las los híbridos de PLA aumentan sus propiedades mecánicas en comparación con los polímeros vírgenes (PCL y PHB).

En una segunda etapa, se estudiaron las propiedades biológicas de las diferentes mezclas poliméricas y como afecta la química superficial en la viabilidad, citotoxicidad y crecimiento de las células. Los resultados de citotoxicidad (Figura 3) muestran una viabilidad excelente para todos los materiales, lo que se traduce en una perfecta biocompatibilidad de los materiales estudiados. Se observa que aquellas mezclas aditivadas con HA muestran un aumento de la viabilidad debido a la generación de nuevos sitios reactivos correspondientes a los grupos funcionales de Ca2+ y PO43- presentes en las moléculas de HA que promueven la interacción de las proteínas mediante los grupos carboxilo y amino. Sin embrago, al comparar la adición de HA con la adición de SiO₂, el silicio muestra en algunos de los casos disminución de la viabilidad, no obstante manteniendo buenos resultados de viabilidad. Esto se debe a la generación de enlaces de hidrogeno entre los grupos silanol (Si-OH) presentes en la superficie de SiO₂ y los grupos carboxilo (HC=O) de las proteínas. La adición de las dos cargas (HA y SiO₂) muestra en todos los casos una mejora de la viabilidad, demostrando un efecto sinérgico entre las cargas y los polímeros.

Las dos líneas de investigación que aborda el proyecto Volfil muestran resultados excelentes. En primer lugar, los nuevos sensores ópticos avanzados incorporados a colchones con un mallado de Fibra Óptica Polimérica desarrollada abren un universo de posibilidades y aplicaciones que abarcan desde la biomedicina hasta la ingeniería civil. Por otro lado, la utilización de polímeros biocompatibles aditivados con ciertas cargas inorgánicas han demostrado aumentar tanto las propiedades mecánicas como las biológicas. Estos materiales pueden ser utilizados en biomedicina para mejorar y acelerar la formación de nuevo tejido óseo en zonas dañadas.