Desarrollo y caracterización de un material compuesto de ácido polilactico/quitosano para su uso potencial como sustituto óseo

Abstract

RESUMEN: El presente estudio tiene como objetivo estudiar la estructura, propiedades mecánicas y biológicas de un material compuesto de ácido poliláctico (PLA) reforzado con partículas de quitosano con la finalidad de crear un material que pueda ser utilizado como sustituto óseo. En la primera parte se presenta la extracción de quitosano a partir de exoesqueleto de camarón (Litopenaus Vannamei) por el método químico y así como la caracterización fisicoquímica mediante técnicas como DRX, IR, MO, MEB tanto de dicho material como del ácido poliláctico. Posteriormente se fabricaron, mediante la técnica de extrusión materiales compuestos con porcentajes crecientes en peso (1, 3 y 5%) de quitosano, los cuales fueron caracterizados fisicoquímicamente mediante las técnicas antes mencionadas y mecánicamente para evaluar propiedades como resistencia a la tensión, impacto y flexión de acuerdo a las normas ASTM para materiales poliméricos. En lo concerniente a pruebas biológicas se determinó, la degradabilidad en solución buffer de fosfatos, la biomineralización, citotoxicidad así como la adherencia y viabilidad de osteoblastos de la línea celular MG-63 sobre la superficie del PLA y los compuestos fabricados, con el propósito de conocer su desempeño como potencial sustituto óseo. Los resultados experimentales obtenidos muestran que la adición de partículas de quitosano no modifica la estructura química de la matriz de ácido poliláctico, pero sí disminuye la temperatura de degradación de la misma conforme se incrementa la cantidad de partículas. Las propiedades mecánicas decaen debido principalmente a una pobre adhesión entre la matriz y las partículas, y a que éstas tienden a formar aglomerados cuando se encuentran en porcentajes mayores al 3%. La degradabilidad mostró estabilidad en el pH del quitosano así como de los materiales compuestos, el quitosano además mostró una superficie bioactiva formando cristales de hidroxiapatita, lo cual favoreció la adherencia de las células. En cuanto a la citotoxicidad tanto el PLA puro, como los materiales compuestos fabricados resultaron no tóxicos al estar en contacto con osteoblastos, los cuales se mantuvieron metabólicamente activos y presentando buena adherencia así como morfología característica y un proceso de mineralización durante el tiempo de evaluación. Lo cual revela un comportamiento favorable de los materiales compuestos en una aplicación en biomédica. ABSTRACT: The polylactic acid (PLA) is a biodegradable and biocompatible thermoplastic polymer derived from renewable resources, it has been subject of numerous investigations in various fields. Meanwhile, chitosan is the main derivative of chitin, it is the second biopolymer most abundant on the planet, after cellulose. Qualities such as biocompatible, antimicrobial and antifungal, among others, have led to its use in various sectors, including health for several decades. This study aims to study the mechanical and biological properties of a composite material with a polylactic acid matrix reinforced with chitosan particles to create a material that can be used as a bone substitute. In the first part the extraction of chitosan from exoskeleton white shrimp (Litopenaus Vannamei) by chemical treatment and physicochemical characterization of this and polylactic acid was performed using techniques such as XRD, FT-IR, OM, and SEM. Subsequently manufactured by extrusion technique, composites with different amounts of chitosan (1, 3 and 5 wt %), they were characterized physicochemically by techniques afore mentioned. The evaluation of mechanical properties will be realized according to ASTM standards, tensile, impact and flexural test were evaluated. Regarding biological test, degradability in PBS solution, cytotoxicity and cell viability of PLA and composites with the human osteoblast cell line MG-63, were performed in order to meet its performance potential as a bone substitute is determined. Experimental results show that the chemical structure of matrix is not affected by the addition of chitosan, but the thermal degradation of the polylactic acid is affected, increases in the chitosan amount promote a decrease in the degradation temperature. The mechanical properties decrease with increase of amount of chitosan, for a weak adhesion between the polylactic acid and chitosan particles mainly. The degradability, shows stability in the PBS media, which is compatible with the cellular viability, and chitosan show a bioactive surface with hidroxiapatite. On the other hand PLA and composites were non- toxic, after being in contact with osteoblasts, which were kept metabolically active and exhibited good adhesion as well as characteristic morphology during the evaluation time. These results reveal an adequate behavior of the composites as a biomaterial in biomedical applications.